稀有气体与多孔材料的相互作用：用氙和氪的核磁共振揭示秘密

在核能发电过程中，乏燃料后处理会产生含放射性惰性气体（如氪-85和氙-131m/133/135）的废气，这些气体若不妥善处理将对环境造成威胁。目前常用的低温蒸馏法成本高、能耗大，因此开发高效、节能的吸附材料成为研究重点。金属有机框架材料（MOFs）因其高比表面积和可调孔道结构，被视为有前景的吸附剂，但其在原子层面的吸附机制尚不清晰。

本研究首次应用高场固态83Kr核磁共振（NMR）技术，并结合129Xe NMR，系统研究了八种代表性的MOFs材料对氙气（Xe）和氪气（Kr）的吸附行为。这些MOFs分为三类：超微孔一维通道材料（孔径接近气体分子尺寸）、含功能化连接基的材料以及含开放金属位点（OMS）的材料。通过单组分和共吸附实验，揭示了不同MOFs中的气体吸附位点、主客体相互作用及动力学特性。

研究发现，在α-Mg3(HCOO)6等超微孔MOFs中，氙气主要吸附在甲酸根的氢原子附近，距离约4.13 Å，且吸附牢固，不易被氪气取代。而在SIFSIX-3-Zn中，氟原子是氙气的主要结合位点，表现出更强的吸附能力。对于含开放金属位点的UTSA-74，氙气能与锌离子形成强相互作用，使其具有最高的氙气吸附量，而氪气则几乎不被吸附，显示出优异的氙/氪选择性。

特别值得注意的是，研究发现部分对辐射敏感的MOFs（如SIFSIX-3-Zn），在吸附了氙气后，其抗辐射能力显著增强。即使在高达60千戈瑞的γ辐射下，其晶体结构仍能保持完整。这表明氙气分子可能通过稳定框架结构来抵抗辐射损伤，这一发现拓宽了可用于核环境下的MOFs材料范围。

此外，研究还探讨了二氧化碳与氙气的共吸附行为。在FMOF-Zn中，两种气体倾向于占据不同的孔道：小孔优先吸附二氧化碳，大孔则容纳氙气。这使得FMOF-Zn有望作为双床分离系统的第一级，同时去除废气中的二氧化碳和氙气，为后续的氪气捕获创造有利条件。

该研究通过先进的核磁共振技术，首次在原子水平上揭示了惰性气体在MOFs中的吸附细节，不仅深化了对气体分离机制的理解，也为设计用于核废料处理的高性能吸附材料提供了宝贵的分子设计思路。研究成果表明，结合特定的孔道尺寸、功能基团和开放金属位点，可以有效提升MOFs对放射性惰性气体的吸附选择性和稳定性，对环境保护和资源回收具有重要意义。