Nature Communications：柔性配位框架吸附劑在室溫下實現氪/氙分離

氙是高價值稀有氣體，在高新產業、醫療、核能、基礎研究等領域的需求持續增長。空氣是氙的主要制備原料，需經高能耗低溫精餾工藝，核工業尾氣則是重要替代來源，兩種途徑的原料氣中均含不同濃度氪雜質，高效低能耗的氪氙分離是滿足氙市場需求的關鍵。

多孔固體吸附分離氪氙是傳統工藝的潛在替代方案，但氙（4.047 ?）與氪（3.655 ?）尺寸相近，常規多孔材料難以實現精準尺寸篩分。因氙的極化率（40.44×10-25 cm3）遠高于氪（24.84×10-25 cm3），傳統多孔材料多表現為熱力學擇氙吸附，部分材料選擇性雖超 100，但高純氙的脫附回收能耗極高。此外，核尾氣中含半衰期 10.8 年的放射性85Kr（低至 40 ppm），需快速捕集封存，而吸附過程中直接回收高純氙，必須通過動力學篩分實現氪的優先吸附。

迄今僅有少數多孔材料可實現氪氙動力學篩分，包括致密化改性 FS-CuBTC_UM、孔徑約 4.0 ? 的多孔碳 CSuc-750，以及 FMOFCu、Mn (ina)?、CoNi-DAB 三種 MOF 材料，這類材料僅能在 273 K 以下低溫通過動力學控制篩分實現擇氪吸附（圖 1a）。除配體鍵旋轉、拉伸的固有局部柔性外，孔窗狹窄且具客體響應性的動態 MOF，因氪、氙在小孔道中的擴散能壘差異顯著，在稀有氣體識別中展現出應用潛力，這表明精細調控多孔材料的結構柔性與孔徑，有望實現室溫下基于動力學篩分的擇氪吸附。

本文選用巴黎多孔材料研究所開發的、以丁二酸為配體的超微孔鋯基 MOF 材料 MIP-203-Suc，首次實現室溫下氪相對氙的優先吸附分離（圖 1b）。該材料兼具溫度與客體響應的骨架結構柔性，以及配體鍵旋轉、拉伸的局部柔性；熱活化可誘導孔道顯著收縮，形成適配氪氙分離的最優孔窗尺寸，丁二酸配體脂肪鏈的固有柔性還能精細調控氪、氙的孔道可及性。研究發現氪、氙在該材料中的擴散能壘差異顯著，分別為 12.8 kJ?mol-1 和 21.0 kJ?mol-1，氪在窄孔道中的傳輸具有顯著動力學優勢，這一分子識別特性賦予材料優異的分離性能。同時該材料氪吸附量優異，且在不同氪氙配比下分離性能穩定，還能從核后處理尾氣等富氙混合氣中選擇性脫除低至 40 ppm 的痕量氪。

本研究針對室溫氪/氙分離這一公認難題，本文提出利用兼具骨架柔性與局部柔性的配位骨架材料的設計策略，通過二者的協同作用構建適配氪氙分離的孔尺寸與孔形。所篩選的 MIP-203-Suc 實現了氪氙的高效動力學分離，室溫下 50:50 氪氙混合氣的穿透分離選擇性達 6.3，氪濃度降至 1% 時選擇性進一步提升至 10.4，在氙純化與核尾氣放射性氪同位素脫除領域具有重要應用潛力。該研究成果不僅適用于氪氙體系，也為其他分子尺寸與形狀相近、難以通過動力學分離的分子體系提供了新的解決思路。

相關研究成果：相關成果以“Krypton/Xenon separation at room temperature in a flexible coordinative framework sorbent”為題，發表于《Nature Communications》期刊上。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67537-3

（來源：網絡版權屬原作者 謹致謝意）