氙(Xe)、氪(Kr)是重要的稀有气体，广泛应用于医学、激光、航天等领域。Xe、Kr在空气中浓度极低，主要来源于大型空气分离装置的副产物（Xe/Kr = 20/80, v/v），从空分副产物中分离回收获得高纯Xe、Kr产品具有重要的工业价值；同时，将核废料中的放射性元素127Xe、85Kr等进行捕获与回收不仅可以减少环境危害，也是核废料无害化处理的关键环节。
近日，浙江大学任其龙院士、鲍宗必教授团队报道了一种CoNi合金纳米颗粒负载的MOF衍生微孔碳材料，基于电荷转移效应策略，首次将其应用于Xe/Kr分离，为稀有气体分离纯化提供了全新的策略。
Scheme 1. Schematic illustration of the synthesis process of metallic carbon adsorbents.
该团队以没食子酸类金属有机框架材料（Co，Ni-gallate）为前驱体，通过热解自还原法一步得到CoNi合金负载的MOF衍生微孔碳吸附剂，克服了传统浸渍法后续化学还原步骤繁琐的困难，构建了具有孔径约5.0 Å（与Xe的动力学直径4.1Å相当）及金属纳米颗粒高度分散的的NiCo@C-700，该材料的IAST选择性（24.1）及Henry选择性（20.1）超过文献报道所有碳材料及绝大多数MOFs材料。差分电荷密度分析与Bader电荷分析证实了极化率高的Xe分子与金属间的电荷转移效应明显强于Kr；理论计算结果进一步表明合金比单金属对Xe具有更强的诱导极化作用。
Figure 1. Charge density difference analysis given in isosurface graph and planar-average curve chart. (a) Ni(111)-Xe, (b) Ni(111)-Kr, (c) Co3Ni(20`21)-Xe; (d) Co3Ni(20`21)-Kr; The yellow and cyan isosurfaces show the charge gain and lost regions, respectively, corresponding to positive and negative values in the curve charts. Isovalue is given below the graph. The green, pink, red and blue spheres represent Ni, Co, Xe and Kr atom.
研究团队将材料应用于实际多组份混合气的分离过程，通过固定床穿透实验进一步验证了材料在Xe/Kr两组份分离及微量Xe富集的分离性能。该材料可反复循环利用并且具有较高的化学及热稳定性。
Figure2. (a, b) Experimental breakthrough curves of NiCo@C-700 and (c) Experimental desorption curves of Xe of NiCo@C-700
这项研究成果表明了金属纳米颗粒负载的微孔碳吸附剂在气体分离领域的独特优势，为Xe/Kr及其他惰性气体分离提供了一种全新的研究思路。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie Internatioal Edition期刊上。此研究工作的第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士生陈富强，通讯作者为浙江大学化学工程与生物工程学院鲍宗必教授、任其龙院士。何奕教授（共同通讯）及硕士生丁家琪（共同一作）参与量化计算工作。
论文信息：
CoNi Alloy Nanoparticles Embedded in Metal-Organic Framework-Derived Carbon for the Highly Efficient Separation of Xenon and Krypton via a Charge-Transfer Effect
Fuqiang Chen#, Jiaqi Ding#, Kaiqing Guo, Liu Yang, Zhiguo Zhang, Qiwei Yang, Yiwen Yang, Zongbi Bao*, Yi He*, and Qilong Ren*
Angew. Chem. Int. Ed.,2019, DOI: 10.1002/anie.202011778
导师介绍：
鲍宗必
https://person.zju.edu.cn/baozb
任其龙
https://person.zju.edu.cn/0082187
何弈