国产精品高潮粉嫩av,国产亚洲精品久久久久婷,国产福利精品频频

【材料】浙江大學鮑宗必團隊AM：室溫下氪氣選擇性吸附的首款碳分子篩問世

發(fā)布日期：2025-01-01 來源：貝士德儀器

氪氣（Kr）和氙氣（Xe）是兩種重要的稀有氣體,，廣泛應用于照明,、醫(yī)療成像、航空航天和核工業(yè)等領域,。尤其在核工業(yè)中，氪氣的放射性同位素（如⁸⁵Kr）是核廢料中需重點管理的物質(zhì)之一。盡管Kr和Xe用途廣泛,，但它們的工業(yè)分離卻面臨極大的技術挑戰(zhàn)。Kr和Xe在物理化學性質(zhì)上的高度相似性（如沸點接近,，僅相差10 °C）導致傳統(tǒng)分離技術如深冷蒸餾需要極低的溫度（約-100 °C）和高能耗,。此外，這種方法通常更傾向于優(yōu)先分離Xe而忽略Kr,，造成資源浪費,。而優(yōu)先吸附Kr的分離策略不僅可以有效分離兩種氣體，還能直接獲得高純Xe,，特別適用于核廢料處理中⁸⁵Kr的高效回收,。

為了應對上述挑戰(zhàn),，浙江大學鮑宗必教授團隊采用創(chuàng)新思路，開發(fā)了首款室溫下實現(xiàn)氪氣選擇性吸附的碳分子篩材料,。這一突破性成果不僅為Kr/Xe分離提供了全新的解決方案,，也為高效分離技術開辟了新方向。相關工作發(fā)表在Advanced Materials上,。

突破傳統(tǒng)：孔徑精準調(diào)控實現(xiàn)室溫氪氣選擇性吸附

該團隊采用以蔗糖為原料的水熱碳化技術,，設計并優(yōu)化了系列超微孔碳分子篩?；诰珳薀峤獠呗詫Ω谎跚膀?qū)體脫氧反應程度精準調(diào)控,，成功實現(xiàn)了碳分子篩材料孔徑在亞埃尺度內(nèi)精準調(diào)控，并得到了孔徑約為4.0 ?的碳框架——恰好位于氪氣和氙氣的分子動力學直徑之間,。有望實現(xiàn)Kr/Xe分子篩分的同時,，為核廢料處理中的氪氣回收提供了高效解決方案。

圖1. 碳分子篩合成及熱解調(diào)控實現(xiàn) Kr/Xe篩分分離示意圖

結構表征：熱驅(qū)動孔徑調(diào)控機制探究

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察,，證實制備的碳分子篩材料具有均一的粒徑分布,，這種特性有助于其作為固定床填料的應用。透射電子顯微鏡（TEM）分析顯示,，材料中的部分無定形結構已轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒕ЫY構,，這一結果與X射線衍射（XRD）圖譜和拉曼光譜的分析一致，均表明材料在熱解溫度下發(fā)生了部分石墨化,。通過CO₂在195 K下的吸附測試,，進一步證實了碳分子篩發(fā)達的孔隙率，為氣體的高效吸附分離提供了有力支持,。

圖2. (a) 水熱碳化物和 (b, c) C-Suc-750 的SEM圖,；(d) 水熱碳化物和 (e, f) C-Suc-750 的TEM圖；(g) 水熱碳化物和 (h) C-Suc-750 的元素分布圖,；(i) PXRD圖譜,，(j) 拉曼光譜，(k) 不同熱解溫度下碳分子篩在195 K的CO₂吸附等溫線

由于碳分子篩具有復雜的孔道結構,，N₂和Ar在臨界溫度下擴散速率較低,，因此難以準確描述材料的孔隙特征。即使是動力學直徑更小的CO₂分子,，也難以精確表征材料的超微孔部分,。為此，作者提出了“分子截斷法”表征材料孔徑的策略（圖3a-b）,，即采用具有不同尺寸大小的氣體分子作為探針,，測試不同溫度條件下制備的碳分子篩對其的實際吸附情況，以此確定碳分子篩材料的“有效微孔孔徑”,。此方法確定的微孔孔徑對于實際氣體吸附分離的應用更具價值,。為了進一步探究材料孔徑變化與熱解焙燒溫度間的規(guī)律,，作者通過FT-IR以及TPD-MS等表征手段證實了熱解過程中主要是前驅(qū)體中含氧官能團的脫氧反應。隨著熱解焙燒溫度的升高,，碳分子篩材料的孔徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,。前期孔徑的增大主要由于CO、CO₂和H₂O等小分子從材料中逸出,，而后期隨著溫度進一步升高,，H₂小分子的逸出使材料結構變得更加致密，導致孔徑減小,。這一規(guī)律為碳分子篩材料的設計與制備提供了重要參考,。此外，材料中殘留的穩(wěn)定含氧官能團為氣體分子提供了極性吸附位點,。

圖3. (a, b) “分子截斷”法示意圖,；(c) 不同溫度下水熱碳化物和碳分子篩的FT-IR光譜；(d) 水熱碳化物在TPD-MS分析中的氣體釋放曲線,；(e, g) 水熱碳化物和 (f, h) C-Suc-750 的CO和CO₂釋放曲線

性能驗證：卓越的吸附分離能力與抗輻射穩(wěn)定性

通過靜態(tài)吸附測試,，證實了優(yōu)選的碳分子篩材料（C-Suc-750）可以基于尺寸差異實現(xiàn)Kr/Xe在室溫下的分子篩分。值得注意的是,，這是首例在室溫下優(yōu)先吸附Kr的吸附劑材料,。在298 K、100 kPa下,，材料對Kr/Xe的吸附量比值高達39.3,，在Kr/Xe分離領域樹立了全新的標桿。同時,，對于實際核廢料尾氣中的各種氣體,，材料也可以實現(xiàn)對Kr的優(yōu)先吸附。固定床穿透實驗驗證了材料優(yōu)異的Kr/Xe分離以及對核廢料尾氣中Kr的特異性捕獲的優(yōu)異性能,。最為重要的是，材料具有遠超于常規(guī)MOFs材料的優(yōu)異抗輻射穩(wěn)定性,，即使在γ射線高劑量輻射下,，C-Suc-750仍能保持優(yōu)異性能，顯現(xiàn)出長期工業(yè)應用的巨大潛力,。

圖4. (a) C-Suc-750在298 K下對Xe,、Kr、N₂,、O₂和Ar的吸附等溫線,；(b) 298 K、1.0 bar條件下不同吸附劑的Xe/Kr或Kr/Xe吸附比對比,；(c) Xe/Kr（20/80）混合氣和 (e) 模擬核廢料氣在298 K,、1.0 bar下的突破曲線,；(d) C-Suc-750在423 K、1.0 bar條件下以5 mL/min He氣脫附的Xe和Kr曲線,；(f, h) C-Suc-750經(jīng)γ射線輻照前后在298 K下的Xe,、Kr吸附等溫線及195 K下的CO₂吸附等溫線；(g) Xe/Kr（20/80, v/v）在298 K,、1.0 bar下的循環(huán)突破實驗曲線

分子動力學模擬：碳分子篩實現(xiàn)Kr/Xe篩分分離的動態(tài)機制

研究團隊通過分子動力學（MD）模擬,，直觀展示了C-Suc-750碳分子篩在Kr/Xe分離中的獨特篩分機制。在298 K條件下,，Kr/Xe（80/20, v/v）混合氣體首先被置于進料倉內(nèi),，隨著時間推進，Kr分子能夠快速通過孔徑為4.0 ?的狹窄孔道,，而體積更大的Xe分子難以進入孔道,。0-10000 ps時間范圍內(nèi)Kr分子已開始顯著擴散，而在延長至100000 ps后,，幾乎所有Kr分子均穿過孔道,，而Xe分子依然無法通過。這表明,，C-Suc-750的狹窄孔道在Kr與Xe的分離中起到關鍵作用,。此外，分子模擬快照進一步揭示了氣體擴散的動態(tài)過程,，直觀地呈現(xiàn)了孔道內(nèi)Kr分子逐步擴散的行為,。通過這些模擬數(shù)據(jù)，明確了尺寸篩分與孔徑調(diào)控對Kr/Xe分離性能的重要貢獻,，為高效稀有氣體分離材料的設計提供了理論支持,。

圖5. (a) 0-10000 ps和 (b) 0-100000 ps內(nèi)通過孔道的氣體分子數(shù)量變化；(c) 不同時間下入口氣體中剩余分子數(shù)量,；(d-f) Kr/Xe（80/20, v/v）混合氣在298 K下的碳分子篩模型吸附過程的MD模擬快照,，分別為1 ps、10000 ps和50000 ps時的情況,。初始時混合氣在進料倉內(nèi),，隨后氣體分子擴散到碳層孔道中?；疑?、紅色、白色,、青色和紫色球分別表示C,、O、H,、Kr和Xe分子

小結

此次研究不但提出了一種前所未有的氪氣優(yōu)先分離策略,，還為精密分子篩材料的設計提供了新思路,。C-Suc-750展現(xiàn)出的高選擇性、可重復性及工業(yè)穩(wěn)定性,，標志著吸附分離技術的又一里程碑,。未來，這一材料在核廢料處理,、稀有氣體提取等領域?qū)⒋笥锌蔀?，為綠色化工和資源高效利用注入新的動力。

原文（掃描或長按二維碼,，識別后直達原文頁面）：

The First Kr-Selective Carbon Molecular Sieve for Inverse Adsorption of Krypton Over Xenon at Ambient Temperature

Fuqiang Chen, Fang Zheng, Xinlei Huang, Zhe Chu, Haoran Sun, Liu Yang, Qiwei Yang, Zhiguo Zhang, Qilong Ren, Zongbi Bao

Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202409474

作者簡介

第一作者：陳富強,，博士，2022年12月于浙江大學獲得博士學位,，師從浙江大學任其龍院士和鮑宗必教授,。2023年2月至今于日本京都大學從事博士后研究，師從Susumu Kitagawa（北川進）院士,，并入選日本學術振興會（JSPS）研究員,。主要從事多孔碳吸附劑及金屬有機框架材料（MOFs）的結構調(diào)控以及氣體吸附分離性能研究。以第一/通訊作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Cent. Sci., Small, Engineering等高水平期刊發(fā)表SCI論文16篇,，并申請國內(nèi)國際發(fā)明專利12項,，已授權8項。獲得浙江省優(yōu)秀博士論文,、浙江大學優(yōu)秀博士學位論文,、ACS Excellent Postdoctor in the Leadership of Promoting Mentoring等榮譽。擔任Chem. Eng. J.以及Sep. Purif. Technol.等國際期刊獨立審稿人,。

通訊作者：鮑宗必,，浙江大學求是特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者(2022年),、國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者(2017年),、浙江省杰出青年科學基金獲得者(2016年)，浙江省“萬人計劃”青年拔尖人才(2019年),。主要從事化工分離技術,、多孔吸附分離材料及高純化學品分離制備研究，在Science,、J. Am. Chem. Soc.,、Angew. Chem. Int. Ed.,、Adv. Mater.,、Nat. Commun.、Sci. Adv.等期刊發(fā)表論文250余篇,，獲授權發(fā)明專利60余件,。作為主要完成人獲得國家技術發(fā)明獎二等獎,、浙江省科技進步一等獎、青山科技獎,、侯德榜化工科學技術創(chuàng)新獎等榮譽?，F(xiàn)任生物質(zhì)化工教育部重點實驗室副主任、浙江大學衢州研究院電子化學品研究所所長,。兼任中國化工學會超臨界流體專委會秘書長,、《化工進展》期刊編委、國際期刊《Separation and Purification Technology》副主編,。

https://www.x-mol.com/university/faculty/21720

貝士德 吸附表征全系列測試方案

測樣,、送檢咨詢：楊老師

138 1051 2843（同微信）

搜索

語言：中文

【材料】浙江大學鮑宗必團隊AM：室溫下氪氣選擇性吸附的首款碳分子篩問世

發(fā)布日期：2025-01-01 來源：貝士德儀器

氪氣（Kr）和氙氣（Xe）是兩種重要的稀有氣體，廣泛應用于照明,、醫(yī)療成像,、航空航天和核工業(yè)等領域。尤其在核工業(yè)中,，氪氣的放射性同位素（如⁸⁵Kr）是核廢料中需重點管理的物質(zhì)之一,。盡管Kr和Xe用途廣泛，但它們的工業(yè)分離卻面臨極大的技術挑戰(zhàn),。Kr和Xe在物理化學性質(zhì)上的高度相似性（如沸點接近,，僅相差10 °C）導致傳統(tǒng)分離技術如深冷蒸餾需要極低的溫度（約-100 °C）和高能耗。此外,，這種方法通常更傾向于優(yōu)先分離Xe而忽略Kr,，造成資源浪費。而優(yōu)先吸附Kr的分離策略不僅可以有效分離兩種氣體,，還能直接獲得高純Xe,，特別適用于核廢料處理中⁸⁵Kr的高效回收。

為了應對上述挑戰(zhàn),，浙江大學鮑宗必教授團隊采用創(chuàng)新思路,，開發(fā)了首款室溫下實現(xiàn)氪氣選擇性吸附的碳分子篩材料。這一突破性成果不僅為Kr/Xe分離提供了全新的解決方案,，也為高效分離技術開辟了新方向,。相關工作發(fā)表在Advanced Materials上。

突破傳統(tǒng)：孔徑精準調(diào)控實現(xiàn)室溫氪氣選擇性吸附

該團隊采用以蔗糖為原料的水熱碳化技術,，設計并優(yōu)化了系列超微孔碳分子篩,。基于精準熱解策略對富氧前驅(qū)體脫氧反應程度精準調(diào)控，成功實現(xiàn)了碳分子篩材料孔徑在亞埃尺度內(nèi)精準調(diào)控,，并得到了孔徑約為4.0 ?的碳框架——恰好位于氪氣和氙氣的分子動力學直徑之間,。有望實現(xiàn)Kr/Xe分子篩分的同時，為核廢料處理中的氪氣回收提供了高效解決方案,。

圖1. 碳分子篩合成及熱解調(diào)控實現(xiàn) Kr/Xe篩分分離示意圖

結構表征：熱驅(qū)動孔徑調(diào)控機制探究

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察,，證實制備的碳分子篩材料具有均一的粒徑分布，這種特性有助于其作為固定床填料的應用,。透射電子顯微鏡（TEM）分析顯示,，材料中的部分無定形結構已轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒕ЫY構，這一結果與X射線衍射（XRD）圖譜和拉曼光譜的分析一致,，均表明材料在熱解溫度下發(fā)生了部分石墨化,。通過CO₂在195 K下的吸附測試，進一步證實了碳分子篩發(fā)達的孔隙率,，為氣體的高效吸附分離提供了有力支持,。

圖2. (a) 水熱碳化物和 (b, c) C-Suc-750 的SEM圖；(d) 水熱碳化物和 (e, f) C-Suc-750 的TEM圖,；(g) 水熱碳化物和 (h) C-Suc-750 的元素分布圖,；(i) PXRD圖譜，(j) 拉曼光譜,，(k) 不同熱解溫度下碳分子篩在195 K的CO₂吸附等溫線

由于碳分子篩具有復雜的孔道結構,，N₂和Ar在臨界溫度下擴散速率較低，因此難以準確描述材料的孔隙特征,。即使是動力學直徑更小的CO₂分子,，也難以精確表征材料的超微孔部分。為此,，作者提出了“分子截斷法”表征材料孔徑的策略（圖3a-b）,，即采用具有不同尺寸大小的氣體分子作為探針，測試不同溫度條件下制備的碳分子篩對其的實際吸附情況,，以此確定碳分子篩材料的“有效微孔孔徑”,。此方法確定的微孔孔徑對于實際氣體吸附分離的應用更具價值。為了進一步探究材料孔徑變化與熱解焙燒溫度間的規(guī)律,，作者通過FT-IR以及TPD-MS等表征手段證實了熱解過程中主要是前驅(qū)體中含氧官能團的脫氧反應,。隨著熱解焙燒溫度的升高，碳分子篩材料的孔徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,。前期孔徑的增大主要由于CO,、CO₂和H₂O等小分子從材料中逸出，而后期隨著溫度進一步升高,，H₂小分子的逸出使材料結構變得更加致密,，導致孔徑減小,。這一規(guī)律為碳分子篩材料的設計與制備提供了重要參考。此外,，材料中殘留的穩(wěn)定含氧官能團為氣體分子提供了極性吸附位點。

圖3. (a, b) “分子截斷”法示意圖,；(c) 不同溫度下水熱碳化物和碳分子篩的FT-IR光譜,；(d) 水熱碳化物在TPD-MS分析中的氣體釋放曲線；(e, g) 水熱碳化物和 (f, h) C-Suc-750 的CO和CO₂釋放曲線

性能驗證：卓越的吸附分離能力與抗輻射穩(wěn)定性

通過靜態(tài)吸附測試,，證實了優(yōu)選的碳分子篩材料（C-Suc-750）可以基于尺寸差異實現(xiàn)Kr/Xe在室溫下的分子篩分,。值得注意的是，這是首例在室溫下優(yōu)先吸附Kr的吸附劑材料,。在298 K,、100 kPa下，材料對Kr/Xe的吸附量比值高達39.3,，在Kr/Xe分離領域樹立了全新的標桿,。同時，對于實際核廢料尾氣中的各種氣體,，材料也可以實現(xiàn)對Kr的優(yōu)先吸附,。固定床穿透實驗驗證了材料優(yōu)異的Kr/Xe分離以及對核廢料尾氣中Kr的特異性捕獲的優(yōu)異性能。最為重要的是,，材料具有遠超于常規(guī)MOFs材料的優(yōu)異抗輻射穩(wěn)定性,，即使在γ射線高劑量輻射下，C-Suc-750仍能保持優(yōu)異性能,，顯現(xiàn)出長期工業(yè)應用的巨大潛力,。

圖4. (a) C-Suc-750在298 K下對Xe、Kr,、N₂,、O₂和Ar的吸附等溫線；(b) 298 K,、1.0 bar條件下不同吸附劑的Xe/Kr或Kr/Xe吸附比對比,；(c) Xe/Kr（20/80）混合氣和 (e) 模擬核廢料氣在298 K、1.0 bar下的突破曲線,；(d) C-Suc-750在423 K,、1.0 bar條件下以5 mL/min He氣脫附的Xe和Kr曲線；(f, h) C-Suc-750經(jīng)γ射線輻照前后在298 K下的Xe,、Kr吸附等溫線及195 K下的CO₂吸附等溫線,；(g) Xe/Kr（20/80, v/v）在298 K、1.0 bar下的循環(huán)突破實驗曲線

分子動力學模擬：碳分子篩實現(xiàn)Kr/Xe篩分分離的動態(tài)機制

研究團隊通過分子動力學（MD）模擬,，直觀展示了C-Suc-750碳分子篩在Kr/Xe分離中的獨特篩分機制,。在298 K條件下,，Kr/Xe（80/20, v/v）混合氣體首先被置于進料倉內(nèi)，隨著時間推進,，Kr分子能夠快速通過孔徑為4.0 ?的狹窄孔道,，而體積更大的Xe分子難以進入孔道。0-10000 ps時間范圍內(nèi)Kr分子已開始顯著擴散,，而在延長至100000 ps后,，幾乎所有Kr分子均穿過孔道，而Xe分子依然無法通過,。這表明,，C-Suc-750的狹窄孔道在Kr與Xe的分離中起到關鍵作用。此外,，分子模擬快照進一步揭示了氣體擴散的動態(tài)過程,，直觀地呈現(xiàn)了孔道內(nèi)Kr分子逐步擴散的行為。通過這些模擬數(shù)據(jù),，明確了尺寸篩分與孔徑調(diào)控對Kr/Xe分離性能的重要貢獻,，為高效稀有氣體分離材料的設計提供了理論支持。

圖5. (a) 0-10000 ps和 (b) 0-100000 ps內(nèi)通過孔道的氣體分子數(shù)量變化,；(c) 不同時間下入口氣體中剩余分子數(shù)量,；(d-f) Kr/Xe（80/20, v/v）混合氣在298 K下的碳分子篩模型吸附過程的MD模擬快照，分別為1 ps,、10000 ps和50000 ps時的情況,。初始時混合氣在進料倉內(nèi)，隨后氣體分子擴散到碳層孔道中,?；疑⒓t色,、白色,、青色和紫色球分別表示C、O,、H,、Kr和Xe分子

小結

此次研究不但提出了一種前所未有的氪氣優(yōu)先分離策略，還為精密分子篩材料的設計提供了新思路,。C-Suc-750展現(xiàn)出的高選擇性,、可重復性及工業(yè)穩(wěn)定性，標志著吸附分離技術的又一里程碑,。未來,，這一材料在核廢料處理、稀有氣體提取等領域?qū)⒋笥锌蔀?，為綠色化工和資源高效利用注入新的動力,。

原文（掃描或長按二維碼,，識別后直達原文頁面）：

The First Kr-Selective Carbon Molecular Sieve for Inverse Adsorption of Krypton Over Xenon at Ambient Temperature

Fuqiang Chen, Fang Zheng, Xinlei Huang, Zhe Chu, Haoran Sun, Liu Yang, Qiwei Yang, Zhiguo Zhang, Qilong Ren, Zongbi Bao

Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202409474

作者簡介

第一作者：陳富強，博士,，2022年12月于浙江大學獲得博士學位,，師從浙江大學任其龍院士和鮑宗必教授。2023年2月至今于日本京都大學從事博士后研究,，師從Susumu Kitagawa（北川進）院士,，并入選日本學術振興會（JSPS）研究員。主要從事多孔碳吸附劑及金屬有機框架材料（MOFs）的結構調(diào)控以及氣體吸附分離性能研究,。以第一/通訊作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Cent. Sci., Small, Engineering等高水平期刊發(fā)表SCI論文16篇，并申請國內(nèi)國際發(fā)明專利12項,，已授權8項,。獲得浙江省優(yōu)秀博士論文、浙江大學優(yōu)秀博士學位論文,、ACS Excellent Postdoctor in the Leadership of Promoting Mentoring等榮譽,。擔任Chem. Eng. J.以及Sep. Purif. Technol.等國際期刊獨立審稿人。

通訊作者：鮑宗必,，浙江大學求是特聘教授,，國家杰出青年科學基金獲得者(2022年)、國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者(2017年),、浙江省杰出青年科學基金獲得者(2016年),，浙江省“萬人計劃”青年拔尖人才(2019年)。主要從事化工分離技術,、多孔吸附分離材料及高純化學品分離制備研究,，在Science、J. Am. Chem. Soc.,、Angew. Chem. Int. Ed.,、Adv. Mater.、Nat. Commun.,、Sci. Adv.等期刊發(fā)表論文250余篇,，獲授權發(fā)明專利60余件。作為主要完成人獲得國家技術發(fā)明獎二等獎,、浙江省科技進步一等獎,、青山科技獎、侯德榜化工科學技術創(chuàng)新獎等榮譽?，F(xiàn)任生物質(zhì)化工教育部重點實驗室副主任,、浙江大學衢州研究院電子化學品研究所所長。兼任中國化工學會超臨界流體專委會秘書長,、《化工進展》期刊編委,、國際期刊《Separation and Purification Technology》副主編,。

https://www.x-mol.com/university/faculty/21720

貝士德 吸附表征全系列測試方案

測樣、送檢咨詢：楊老師

138 1051 2843（同微信）

分析測試中心
分析測試中心