Chem：多重原子限域增强效应实现痕量Xe/Kr的高效捕获

核裂变过程中产生的放射性氙（Xe）与氪（Kr）的高效处理，是实现核能系统零排放目标的关键环节。然而，在低浓度条件下实现对这类气体的高效捕获仍存在挑战。基于Lennard-Jones 12-6势函数，本研究提出一种“多重原子限域增强效应”的设计理念，通过在金属有机框架材料Cu(idc-I)中构建具有串联排列特征的四面体卤素笼结构单元，实现对痕量Xe和Kr的高效捕获。在0.1 bar和常温条件下，Cu(idc-I)表现出创纪录的Xe、Kr吸附性能，同时获得了迄今最高的Kr亨利系数（10.19 mmol·cm-3·bar-1），并通过原位单晶X射线衍射分析（SCXRD）与理论模拟相结合，直观揭示了材料中密集串联排列的四面体碘笼作为气体结合位点，证实了其在模拟核后处理尾气环境中高效捕获痕量Xe与Kr的卓越能力。

在核能领域，处理核裂变过程产生放射性Xe和Kr同位素是实现核能零排放的关键。然而，这些惰性气体化学性质稳定、缺乏偶极矩或四极矩，使得传统吸附材料难以通过常规分子间作用力（如氢键或π-π堆积等）实现高效捕获。尤其是在低浓度条件下，其高效捕获仍面临巨大挑战。当前吸附技术主要依赖范德华力，其固有的弱范德华力导致对Xe/Kr的亲和力不足，往往吸附容量和选择性较差，难以在复杂大气成分中实现有效分离。尽管多孔材料在理论筛选和理性设计方面取得了一定进展，但其结构参数与气体吸附性能之间的构效关系尚未系统建立，进一步制约了高效吸附材料的设计与优化。

为增强多孔吸附剂中的主客体相互作用，本研究基于Lennard-Jones 12-6势函数明确了影响吸附性能的关键结构参数：孔径匹配度、密集结合位点和重原子效应。基于此，提出了多重原子限域增强效应，构建了一种新型金属有机框架材料Cu(idc-I)。其特点是具有密集有序排列的四面体碘笼和适合Xe和Kr捕获的最优孔径尺寸（4.1 Å）。该材料在环境温度和0.1 bar压力下表现出非凡的Xe和Kr体积吸附量，超越了大多数已报道的多孔吸附剂。通过结合原位单晶X射线衍射和DFT计算，发现Cu(idc-I)中的四面体碘笼为Xe和Kr提供了强结合位点。这项工作为惰性气体吸附材料设计提供了一个系统的框架和新范式。

文章信息：Chem 2025, 102652

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102652

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