Relay Adsorption in Metal–Organic Frameworks for One-Step Helium Purification at Ambient Temperature

吸附 材料科学 三元运算 沸点 金属有机骨架 化学工程 空气分离 选择性 催化作用 有机化学 化学 氧气 工程类 计算机科学 程序设计语言
作者
Xiaoyu Li,Yue Wu,Shanshan Wang,Wenxiang Zhang,Qing‐Yuan Yang,Heping Ma
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (24): 31464-31472
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05368
摘要

One-step He purification from natural gas represents a crucial solution for addressing the global He shortages. The prevailing method to produce high-grade He involves cryogenic distillation and ultralow temperature adsorption processes, which is highly cost- and energy-intensive. Separating and purifying He at ambient temperature is a great challenge because the fundamental limitation lies in the boiling point, polarizability, and kinetic diameters of CH4/N2/He gases. In this study, we seek to implement a relay adsorption strategy using Ni(ina)2 and MIL-100(Cr) metal-organic frameworks (MOFs) to produce high-purity He from ternary mixtures (CH4, N2, and He) at ambient temperature. The CH4/He selectivity in Ni(ina)2 and N2/He selectivity in MIL-100(Cr) both reach record 15.39 and 128.49, respectively, making the relay adsorption for helium purification highly efficient. The breakthrough experiments show that the two MOFs can sequentially adsorb CH4 and N2 in ternary mixtures, producing He with a purity of up to 99.99% in one step. The remarkable separation performance and stability of these MOFs underscore the industrial potential in purifying He at ambient temperature.
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