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机械工程材料福建物构所在H2/D2同位素分离材料研究中取得进展


_本文原题：福建物构所在H2/D2同位素分离材料研究中取得进展
氘作为氢的稳定同位素 ， 是核聚变反应堆的主要燃料之一 。 同时 ， 氘在民用工业及现代科学研究中也有广泛的应用 。 氘在海洋中的天然丰度仅为156.25 ppm ， 其分子形状、尺寸及热力学性质等与氢相似 。 因此 ， 从氢同位素混合物中分离、纯化和浓缩氘分子具有挑战性 。
针对H2/D2同位素分离这一技术难题 ， 中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室研究员袁大强课题组 ， 以有序微孔MOFs为吸附剂 ， 通过自组装的低温气体穿透装置探究材料在高通量动态条件下的氢同位素分离性能 ， 该研究为开发基于物理吸附的能耗低、投资少且工艺简单的选择性捕获氘气技术提供了实验依据 。
机械工程材料福建物构所在H2/D2同位素分离材料研究中取得进展
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课题组利用气体穿透实验装置评价了具有高浓度开放金属位点的M-MOF-74(M=Co, Ni, Mg, Zn)的H2/D2分离性能 ， 并探究了混合气的浓度以及温度对材料的氢同位素分离性能的影响 。 与IAST计算结果不同 ， 在这四种材料中 ， Co-MOF-74表现出最佳的H2/D2穿透性能 ， 具有最大的氢同位素吸附量且D2保留时间最长 。 对于不同浓度的氢同位素混合气 ， 四种材料的保留时间顺序也不同 ， 这是由于材料的H2/D2穿透结果是平衡吸附容量 ， 开放金属位点密度以及吸附位点强度共同作用的结果 。 这在一定程度上说明IAST计算结果的局限性 ， 并为基于穿透实验的吸附剂的合成提供了方向——在增强材料的作用位点强度及密度的同时还应提高材料的吸附容量 。 Co, Ni, Mg-MOF-74在77K温度下实现氢同位素的分离 ， 进一步将温度提高至87K也实现H2/D2的分离 ， 这一结果说明通过强化吸附中心以及加入大量配位不饱和位点可以实现高温环境中的氢同位素的有效分离 。 相关研究结果发表在Sci. China Chem, 2020, 63, 881.上 。
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课题组以拓扑学为结构设计导向 ， 利用联吡啶二羧酸构筑典型的四重穿插dia网络 ， 同时通过联吡啶基团引入Cu+作为四面体节点 ， 进而将四重穿插的dia网络交联成二重穿插的类分子筛GIS拓扑网络(FJI-Y3) ， 采用拓扑转换策略实现类分子筛MOFs材料的定向构筑 。 FJI-Y3(0.67nm)不仅具有高的热稳定性(大于280oC) ， 而且具有高的Cu+活性位密度(2.28 OMSs(Cu+)/nm3) 。 这些有利的要素使FJI-Y3具有优异的氢同位素吸附及分离性能 。 FJI-Y3的H2和D2吸附量可分别高达232和250cm3/g 。 基于IAST计算的D2/H2选择性为1.4 。 实验结果表明 ， FJI-Y3是良好的储能及气体分离材料 。 相关研究结果发表在J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 23276.上
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【机械工程材料福建物构所在H2/D2同位素分离材料研究中取得进展】
改善MOFs材料气体吸附性能的因素主要包括金属开放位点以及孔径尺寸大小 。 课题组通过改变三苯胺三羧酸配体{tris((4-carboxyl) phenylduryl) amine (H3TCPA)和4,4',4''-nitrilotribenzoic acid (H3NTB)}的臂长 ， 得到两例近似同构的MOFs材料 ， FIR-29和FJI-Y9 。 两者均具有蜂窝状六边形孔道的多孔结构 。 相对于FIR-29(BET=2061m2 g-1 ， 孔径=16) ， 虽然FJI-Y9的BET(1117m2 g-1) 和孔径(8.5)较小 ， 但FJI-Y9表现出更好的H2(202cm3g-1 ， 77K ， 1bar)和D2(222cm3g-1 ， 77K ， 1bar)吸附性能 ， 约为FI吸附量的1.5倍 。 理论计算结果表明 ， FJI-Y9对H2和D2的吸附势能更高 ， 与实验R-29结果吻合 。 研究结果表明具有小孔的MOFs更有利于氢同位素分子的吸附和分离 。 相关研究结果发表在Inorg. Chem., 2018, 57, 13312.


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