一种具有超高氖吸附容量和创纪录Ne/He选择性的超微孔金属-有机框架

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西安交通大学马和平老师团队发表在 Advanced Functional Materials的研究（Adv. Funct. Mater.2026, e75261）针对超纯氦气生产中，去除痕量氖气（Ne）这一能源密集型的技术瓶颈，报道了一种基于钙离子和方形酸配体的超微孔金属-有机框架（MOF）材料UTSA-280。该材料在工业上易于实现的液氮温度（77 K）下，实现了对氖/氦（Ne/He）混合气的高效分离。UTSA-280具有刚性的、周期变化的1D孔道（3.2×4.5 Å 和 3.8×3.8 Å），孔道内由Ca²⁺中心和方形酸配体构成的极化静电场，使其在77 K和100 kPa条件下，实现了高达1602的创纪录Ne/He选择性以及5.419 mmol·g⁻¹的卓越氖吸附容量。突破性实验和过程模拟证实，该材料可直接从Ne/He（0.1/99.9）混合气中连续生产高纯度氦气，为电子和低温应用领域对超纯氦日益增长的需求，提供了一种节能且可扩展的解决方案。

研究背景
1. 行业问题：氦气是半导体制造、低温超导、医疗成像等尖端技术领域不可或缺的战略资源。随着半导体制造工艺的微缩化，对超纯电子级氦气（≥99.9999%）的需求日益迫切。然而，从粗氦中去除痕量氖气是生产超纯氦的关键挑战，因为Ne和He具有极其接近的动力学直径（He: 2.55 Å, Ne: 2.75 Å）和极低的沸点（He: 4.2 K, Ne: 27.1 K）。传统工艺依赖低于50 K的深冷蒸馏和吸附步骤，能耗极高。
2. 现有方案：现有商业吸附剂（如4A、5A、13X分子筛、活性炭等）由于氖气极化率低，在77 K下表现出对氖的吸附亲和力弱，导致在低压区的平衡吸附容量和分离选择性均不理想，难以实现ppm级别氖的有效去除。近期有研究显示部分MOFs在高压下具有高氖吸附容量，但针对痕量氖去除的系统性研究仍然缺乏。
3. 本文创新：作者基于氖（3.94×10⁻²⁵ cm³）与氦（2.05×10⁻²⁵ cm³）在极化率上的显著差异，创新性地选用了一种已知但应用于新体系的超微孔MOF——UTSA-280。其核心思路是利用该材料刚性孔道内由Ca²⁺中心和方形酸配体产生的内禀静电场，选择性极化和捕获极化率更高的氖原子，同时让氦气快速、无阻碍地通过，从而在77 K这一相对温和的低温条件下，实现了对Ne/He混合气，特别是痕量氖的高效、高选择性分离。

实验与测试分析
1. 材料合成与表征：成功合成UTSA-280。结构表征确认其具有刚性的一维孔道，孔径呈周期性变化（3.2×4.5 Å 和 3.8×3.8 Å）。CO₂吸附测得其BET表面积为464.87 m²·g⁻¹，孔径分布显示主峰位于3.5和4.8 Å，微孔体积0.16 cm³·g⁻¹。
2. 吸附性能突破：在77 K/100 kPa下，UTSA-280的Ne吸附容量（5.419 mmol·g⁻¹）是最好商业吸附剂的2.5倍以上，而对He的吸附可忽略不计（0.018 mmol·g⁻¹）。基于IAST预测，在Ne/He (0.1/99.9)条件下，其Ne/He选择性达到创纪录的1602，比最佳商业吸附剂（8.7）高出近两个数量级。计算得到的Ne吸附热（6.96 kJ·mol⁻¹）为报道最高值，表明强的吸附作用。
3. 动态分离与模拟：固定床突破实验表明，UTSA-280可实现Ne/He混合气的有效分离，He瞬间穿透，Ne被强效吸附，突破点延迟至16.63 min/g。材料在298 K下用纯He可快速再生，且5次循环性能稳定。工业过程模拟（Aspen Adsorption）表明，在0.5 MPa下具备良好的分离效率与经济性平衡。
机理阐释：卓越性能源于“尺寸筛分”与“极化增强吸附”协同。DFT计算和Mulliken电荷分析证实，孔道内Ca²⁺与方形酸配体产生的静电场能选择性极化并更强地吸附Ne（原子电荷0.05312），而对He作用极弱（原子电荷0.00615）。GCMC模拟显示He在孔道中心的概率密度比Ne低约两个数量级，为其提供了快速通道。

总结
本工作成功将超微孔MOF材料UTSA-280应用于极具挑战性的Ne/He分离，在77 K下实现了创纪录的分离选择性（1602）和高的Ne吸附容量（5.419 mmol·g⁻¹），性能远超所有商业基准。通过系统的实验表征、理论计算和动态测试，阐明了其基于极化增强吸附的分离机理。材料在温和条件下可完全再生，并表现出优异的循环稳定性，工业过程模拟展示了其实际应用潜力，为在液氮温区高效、节能地生产超纯氦气提供了切实可行的材料解决方案。

文章标题：A Ultramicroporous Metal-Organic Framework With Ultrahigh Neon Adsorption Capacity and Record Ne/He Selectivity
文章作者：Hedong Yang, Yinhui Li, Qingkuan Meng, Yongzheng Wang, Zhihao Bian, Zhizheng Wang, Heping Ma
DOI：10.1002/adfm.75261
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75261

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