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Highly Effective H2/D2 Separation within the Stable Cu(I)Cu(II)-BTC: The Effect of Cu(I) Structure on Quantum Sieving

材料科学 密度泛函理论 选择性 微型多孔材料 分子 价(化学) 物理化学 化学物理 纳米技术 计算化学 化学 催化作用 有机化学 复合材料
作者
Xiaoyu Hu,Fengyun Ding,Renjin Xiong,Yongtao An,Xingwen Feng,Jiangfeng Song,Linsen Zhou,Peilong Li,Changlun Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 3941-3952 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.2c18221
摘要

Realizing ideal deuterium separation from isotopic mixtures remains a daunting challenge because of their almost identical sizes, shapes, and physicochemical properties. Using the quantum sieving effect in porous materials with suitable pore size and open metal sites (OMSs) enables efficient hydrogen isotope separation. Herein, synthetic HKUST-1-derived microporous mixed-valence Cu(I)Cu(II)-BTC (BTC = benzene-1,3,5-tricarboxylate), featuring a unique network of distinct Cu(I) and Cu(II) coordination sites, can remarkably boost the D2/H2 isotope separation, which has a high selectivity (SD2/H2) of 37.9 at 30 K, in comparison with HKUST-1 and other porous materials. Density functional theory (DFT) calculations indicate that the introduction of Cu(I) macrocycles in the framework decreases the pore size and further leads to relatively enhanced interaction of H2/D2 molecules on Cu(II) sites. The significantly enhanced selectivity of Cu(I)Cu(II)-BTC at 30 K can be mainly attributed to the synergistic effect of kinetic quantum sieving (KQS) and chemical affinity quantum sieving (CAQS). The results reveal that Cu(I) OMSs exhibit counterintuitive behaviors and play a crucial role in tuning quantum sieving without a complex structural design, which provides a deeper insight into quantum sieving mechanisms and a new strategy for the intelligent design of highly efficient isotope systems.
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