安全有效处理放射性气体同位素对核燃料回收至关重要。在核燃料处理过程中，必须捕获并分离85Kr和137Xe等裂变产物。85Kr的半衰期长（约10.8年），必须封存填埋；而137Xe是相对安全的（半衰期约36.3天），有较高的经济价值（约$5000/kg），值得被捕集再利用。为了从核废气中分离Xe和Kr，研究者们重点研究了低温精馏、氟碳溶剂吸收和多孔材料吸附。然而，低温精馏是能源密集型过程，精馏过程中臭氧的积累会带来安全风险。氟碳溶剂例如氟利昂-12，它的吸收过程需要复杂的工程控制，还会产生温室气体排放。

利用纳米孔吸附剂对Xe/Kr进行选择性吸附是一种低能耗、操作简便的工艺。功能化多孔材料，例如金属有机骨架材料（MOF）受到广泛研究。由于MOF材料均匀的孔径和可调控的孔化学性质，它具有良好的Xe/Kr选择性。然而，MOF材料在高温、高湿、高辐照条件下的稳定性是其致命弱点，在多种放射性组分以及酸性气体（如NOx、HNO3）共存的条件下，它的性能会下降。除了MOF以外，通过共价键连接的多孔聚合物具有良好的化学和热稳定性，适用于恶劣工况下的Xe/Kr分离。然而，由于其对惰性Xe和Kr气体（Xe的极化率为4.04×10-24cm-3, Kr的极化率为2.48×10-24cm-3）的极化作用较弱，导致Xe的吸附容量和选择性较低，因此多孔有机聚合物的Xe/Kr吸附分离效率仍有待提高。

西安交通大学化工学院马和平研究员团队通过在微孔聚合物孔表面修饰过渡金属离子，增强其对Xe/Kr的诱导极化能力，从而实现其高效吸附分离。研究中采用基于1,3,5-三苯基苯为单体的超交联聚合物（HCP）作为多孔基体。HCP被磺酸化后（HCP-S），选择Ag、Fe、Co和Ni离子进行修饰（HCP-M），在HCP孔道形成表面电势。DFT计算证实HCP-M表面金属位点可以通过电荷转移效应诱导Xe的极化。此外，金属离子修饰后的HCP-M的具有超微孔结构（孔径小于0.7 nm），与Xe的动力学直径比较接近。因此，表面电场极化和孔径约束的协同效应使HCP-M表现出较高的Xe吸附性能。

该研究成果以“Tuning surface inductive electric field in microporous organic polymers for Xe/Kr separation”（微孔有机聚合物吸附相界面电场调控用于高效Xe/Kr分离）为题发表于国际期刊 Chemical Engineering Journal（化学工程杂志）上。西安交通大学化学工程与技术学院为本文唯一单位，博士生伍岳为论文第一作者，马和平研究员为唯一通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划等项目的资助，西安交通大学大学分测中心提供了大量测试表征支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131271

文字：化工学院

图片：化工学院

编辑：星火

来源：西安交通大学