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【Angew】超微孔MOF实现麻醉气体中CO2和Xe的筛分分离

发布日期：2023-09-21 来源：开云(中国)Kaiyun·官方网站仪器

全文概述

氙气是一种理想的麻醉气体，但由于其成本高、产量低、尚未在实践中得到广泛应用。西安交通大学马和平教授课题组通过使用稳定的氟化金属有机框架NbOFFIVE-1-Ni来吸附人体呼出麻醉气体中的二氧化碳，从而回收氙气。与其他选择性较低的回收材料不同，NbOFFIVE-1-Ni具有高达825的CO₂/Xe选择性，能够实现CO₂/Xe的完全筛分分离。突破实验证明，NbOFFIVE-1-Ni在混合气体中成功去除了二氧化碳，并实现了高达99.16%的Xe回收率，同时有效节约了能源。这表明NbOFFIVE-1-Ni在环境条件下具有重要的麻醉气体再生潜力，使得闭路回收和循环利用Xe变得容易实现。

背景介绍

在医疗行业中，Xe由于具有低缺氧风险，无代谢，对神经细胞没有记忆作用被认为是比现在使用的N₂O和氟醚更理想的麻醉气体。然而，Xe的高成本阻碍了其在医疗行业和其他行业其中的应用。目前，每年只有1/15的Xe用于医疗，与临床需求相差甚远。因此，迫切需要一种便携式闭路Xe回收循环装置，以保证临床麻醉的充足供应。人们提出了膜分离和吸附分离等几种替代技术作为便携式Xe回收装置。此外，如果Xe在吸附剂中被优先吸附，则Xe的产生还需要进一步的解吸过程才能得到Xe气体。至少需要四个吸附-解吸循环才能达到Xe麻醉气体所需的纯度和回收率。如果优先吸附CO₂，则可在吸附循环中直接回收所需的富Xe产物，生成Xe麻醉气体，可节省约40%的能耗，并降低设备复杂性。

结构解析

NbOFFIVE-1-Ni具有层状结构，由6个协调的镍金属中心通过吡嗪连接而成的正方形网格层(sql)。这些层由无机(NbOF₅)^2-柱支撑，形成原始立方网络(pcu)拓扑结构的三维框架。NbOFFIVE1-Ni具有方形通道，其近端氟基团周期性排列，从而允许优先吸附二氧化碳。如图1b-d所示，NbOFFIVE-1-Ni的通道尺寸为3.5 Å，允许二氧化碳分子(3.3 Å)进入，但限制Xe分子(4.0 Å)进入。

气体吸附行为

依据273K温度下的CO₂吸附，得出NbOFFIVE-1-Ni的BET比表面积为219m²/g。在298K下进行的吸附实验显示，NbOFFIVE-1-Ni对CO₂的吸附量在1bar的条件下达到44.8cm³/g。相比之下，NbOFFIVE-1-Ni对Xe、O₂和N₂的吸附量分别只有4.0、2.5和1.9cm³/g。考虑到人类呼出的麻醉气体中二氧化碳的摩尔分数通常仅为5%，而NbOFFIVE-1-Ni在0.05bar下即可达到饱和吸附，展现了其捕获麻醉气体中CO₂的巨大潜力。此外，NbOFFIVE-1-Ni在水中暴露一个月后的CO₂吸附实验表明其具有良好的耐水性。利用理想吸附溶液理论（IAST），计算得出NbOFFIVE-1-Ni在298K和1bar下CO₂/Xe的选择性高达825，优于已有报道的基准材料。

理论计算

DFT计算结果证明NbOFFIVE-1-Ni的电负性氟中心对CO₂的优先吸附起主导作用。CO₂的电正碳被四个不同的(NbOF₅)^2-柱(F···C距离=3.086Å)的电负性氟中心包围，CO₂的电负性氧原子被吡嗪氢包围。GCMC模拟表明，CO₂分子在NbOFFIVE-1-Ni的方形通道中占据高能量有利位置(图3b)，而Xe分子由于尺寸限制而无法进入通道(图3c)。此外，不同压力下NbOFFIVE-1-Ni中CO₂和Xe的负载结果表明，当压力增加到10kPa时，CO₂分子快速进入通道，而即使压力增加到100 kPa, Xe分子也无法进入通道。这一结果进一步证明了NbOFFIVE-1-Ni可以实现CO₂/Xe的完全分子筛分离(图3d)。

穿透实验

为了评估NbOFFIVE-1-Ni在实际临床应用中的有效性，我们在室温下进行了呼出麻醉气体混合物穿透实验，结果表明，NbOFFIVE-1-Ni能够保留CO₂，保留时间为44min/g，而Xe和O₂则立即穿透出来。在湿润条件下，对CO₂的渗透实验进一步证明了NbOFFIVE-1-Ni在闭路麻醉系统中去除CO₂的潜力。结果显示，湿润条件下，NbOFFIVE-1-Ni柱中CO₂的突破时间为38min/g，这意味着麻醉气体中水的共存并不影响其对CO₂的捕获能力。与许多其他MOF材料不同，NbOFFIVE-1-Ni表现出同时吸附H₂O和CO₂的能力。湿润条件下CO₂/Xe/O₂(0.05/0.65/0.30,v/v/v)中CO₂/Xe的突破选择性为63，证明水的存在并未改变NbOFFIVE-1-Ni分离麻醉气体中CO₂的能力。

总结

本文提出了一种水解稳定的MOF材料NbOFFIVE-1-Ni，可用于闭路麻醉气体系统中捕获微量的二氧化碳。NbOFFIVE-1-Ni的孔径大小介于CO₂动力学直径(3.3Å)和Xe动力学直径(4.0Å)之间，因此可用作定制的分子筛选吸附剂，以实现麻醉气体中CO₂/Xe的分离。NbOFFIVE-1-Ni对CO₂/Xe/O₂的吸附选择性选择性达到创纪录的825，表明其对去除麻醉气体中的CO₂具有巨大潜力。动态穿透实验证明，NbOFFIVE-1-Ni可以在干燥和潮湿条件下有效捕获混合气体中的CO₂，并具有较长的滞留时间。此外，NbOFFIVE-1-Ni可以通过简单的模板干燥工艺合成成公斤级的规模，制备成MOF颗粒。NbOFFIVE-1-Ni在封闭系统中去除CO₂和回收Xe麻醉气体方面具有重要的应用潜力，并在大规模工业应用中具有广阔的前景。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202310235

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