纯硅沸石光滑孔道表面策略实现潮湿环境下氪同位素高效捕获

针对核能安全与环境保护中放射性氪同位素(85Kr)在潮湿环境下捕获效率低的难题，研究人员通过构建纯硅沸石光滑孔道表面，显著削弱N2竞争吸附并提升Kr/N2选择性。研究发现MEL拓扑结构的ZSM-11沸石在298 K和1 bar条件下展现出创纪录的Kr/N2选择性(4.8)和12.8 cm3/g的Kr吸附量，动态穿透实验证实其可在72.6%湿度下将500 ppm Kr富集至80%纯度。该研究为核设施废气处理提供了稳定高效的技术方案。

　　

随着全球能源需求增长与温室气体减排压力加剧，核能因其零碳排放和高能量密度成为清洁能源转型的关键选项。然而核反应堆运行及乏燃料后处理过程中产生的放射性氪同位素⁸⁵Kr（半衰期10.8年）若释放至大气，将造成长期环境风险。现行商业沸石因阳离子效应强化N₂吸附且亲水性导致水分子竞争，难以实现潮湿环境下Kr的高效捕获。针对这一挑战，中国太原理工大学联合中国科学院的研究团队在《Green Chemical Engineering》发表研究，通过构建纯硅沸石光滑孔道表面，系统比较了MEL拓扑（ZSM-11）与CHA拓扑（SSZ-13）对Kr/N₂分离性能的影响。

研究采用粉末X射线衍射（PXRD）验证晶体结构，通过N₂吸附-脱附等温线计算比表面积，结合静态气体吸附测试与理想吸附溶液理论（IAST）评估选择性。采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟揭示分子吸附位点，并通过动态穿透实验验证实际分离性能。样本包括实验室合成的ZSM-11、SSZ-13及商业沸石5A/4A/13X。

2.1 表征与结构分析
ZSM-11的10-MR交叉通道（5.3×5.4 ?²）与SSZ-13的8-MR笼状结构（3.8×3.8 ?²）形成拓扑对比。BET测试显示ZSM-11比表面积（502 m²/g）虽低于SSZ-13（591 m²/g），但交叉通道更利于Kr扩散。

2.2 气体吸附
298 K下ZSM-11的Kr吸附量（12.8 cm³/g）与Kr/N₂选择性（4.8）均创纪录，其Kr吸附热（17.8 kJ/mol）显著高于商业沸石。GCMC模拟显示ZSM-11中Kr通过8个Kr···O相互作用（3.922-4.077 ?）实现多站点吸附，密度分布显示其Kr吸附量是N₂的3.66倍。

2.3 动态穿透实验
在72.6%湿度下，ZSM-11对500 ppm Kr的突破时间达96 s/g，经He吹扫可获得85%纯度Kr，且5次循环性能无衰减。商业沸石5A因Ca²⁺强化N₂吸附导致分离失效。

3. 结论
该研究证实纯硅沸石光滑孔道可有效抑制阳离子诱导的N₂竞争吸附，其中三维交叉通道的ZSM-11通过优化Kr扩散路径与多站点范德华相互作用，实现了潮湿环境下⁸⁵Kr从ppm级到80%纯度的直接富集。这项工作为核设施废气处理提供了兼具高选择性与环境稳定性的吸附剂设计范式，对保障核安全与履行《全面禁止核试验条约》监测义务具有双重意义。