惰性气体氙(Xe)的捕集和分离在核工业核燃料循环乏燃料后处理尾气净化、违约核试验军控核查、核反应堆安全运行监控、环境监测及Xe的工业生产等领域具有重要意义。目前报道的Xe的捕集和分离方法包括低温精馏法、膜分离法、溶剂吸收法和基于多孔材料的物理吸附分离法,其中物理吸附分离法具有简单高效和能耗低的优点,被认为是最有发展前景的方法。多孔材料是物理吸附分离法的核心,目前己报道的能用于Xe选择性吸附分离的材料主要包括传统的活性炭和沸石分子筛材料以及新型的金属有机框架材料MOFs等,这些材料用于Xe的选择性吸附分离各具优缺点,仍有很大的发展空间。理想的Xe选择性吸附材料要求具有高吸附容量、高选择性和高稳定性的特点,也是研究者们的研究目标和努力方向。理论研究表明,孔道结构是影响材料Xe选择性吸附性能的主要因素,通过调控多孔材料的孔道结构可以有效增强材料对Xe的选择性吸附能力。碳材料具有优异的化学稳定性和可靠性等优点,但对Xe的选择性吸附性能相对较低,通过调控碳材料孔道结构来提升其对Xe的吸附容量和选择性,是可行的研究方向。传统碳材料孔道结构的调节方法如模板法工艺过于复杂,而物理化学活化法调节效果差强人意。近年来以MOFs材料作为牺牲模板和前驱体制备多孔碳材料受到持续关注,MOFs材料具有高碳含量及发达而有序的孔道结构等特点,利用MOFs材料的结构导向作用,通过高温煅烧碳化MOFs材料的方式所制备的多孔碳材料可以继承MOFs材料的孔道结构特征,从而制备出具有高孔隙率和孔道结构可控的多孔碳材料。研究表明MOFs基多孔碳材料具有优异的对H2和C02等气体的选择性吸附分离性能,并有望用于惰性气体特别是Xe的选择性吸附。对于MOFs基多孔碳材料的结构调控,选择合适的MOFs前驱体至关重要,沸石咪唑酯框架材料(ZIFs)是一类具有沸石框架结构的特殊MOFs材料,热稳定性和碳含量高,孔道结构有序而发达,是制备可用于Xe吸附分离MOFs基多孔碳材料的理想前驱体,此外研究表明二次碳源的引入以及煅烧碳化温度的控制也是对MOFs基多孔碳材料孔隙率和孔道结构调控的重要手段。本工作特别选择了 ZIF-7和ZIF-11这两种具有不同微孔孔道结构的同素异构体ZIFs材料作为MOFs基多孔碳材料制备的前驱体,以呋喃甲醇为二次碳源,调控不同的碳化温度制备了一系列ZIF-7基及ZIF-11基多孔碳材料,这些材料具有较高的孔隙率和有序的微孔孔道结构,并显示出优异的Xe选择性吸附性能,为发展新型Xe选择性吸附分离材料提供新的研究思路。本工作主要研究内容和成果如下:1)首先成功合成了高相纯的ZIF-7和ZIF-11这两种具有不同微孔孔道结构的同素异构体ZIFs材料,并依此作为前驱体,以呋喃甲醇(FA)作为二次碳源,在800℃和1000℃高温及高纯氮气气氛下磁煅烧碳化,成功制备了一系列ZIF-7基和ZIF-11基多孔碳材料。2)系统地研究了 ZIFs前驱体的孔隙结构,二次碳源呋喃甲醇的引入以及锻烧碳化温度对所得多孔碳材料的表观形貌、物相结构、化学组成、石墨化程度、比表面积和孔径分布的影响。研究结果表明,ZIF-7基和ZIF-11基多孔碳材料具有类似其ZIFs前驱体的几何规则的外观形貌,并继承了其均一的孔道结构特性,明显区别于活性炭材料无定型炭的形貌特征和宽泛的孔径分布;此外,相同条件下制备的ZIF-11基多孔碳材料的比表面积和孔容均高于ZIF-7基多孔碳材料对应的数值,均充分说明了 ZIFs前驱体的孔隙结构对所得碳材料孔隙结构影响的重要性。二次碳源FA的引入对提高ZIF-11基多孔碳材料的孔隙率产生增益效应,显著提高了所得碳材料的比表面积和孔容。提高碳化温度有利于提高碳材料的孔隙率,归因于1000℃高温条件下ZIF-7和ZIF-11材料中Zn的原位造孔剂作用。3)从静态吸附和动态吸附两方面着手,研究所得ZIF-7基和ZIF-11基多孔碳材料对Xe的选择性吸附性能,考察了 ZIFs基多孔碳材料的结构与其对Xe的选择性吸附分离性能的构效关系。室温条件下,相同制备工艺所得的ZIF-11基多孔碳材料在相同的Xe气相分压下对Xe的吸附容量高于ZIF-7基多孔碳材料的数值,归因于ZIF-11基多孔碳材料更高的比表面积和微孔孔容。引入FA作为二次碳源制备所得的ZIF-11基多孔碳材料Z11CBF-1000对Xe的吸附性能得到进一步提升,298 K及100 kPa条件下Z11CBF-1000对Xe的吸附容量高达4.87 mmol/g,对20:80的Xe和Kr混合气的Xe/Kr IAST选择性高达13,与文献已报道的标志性材料如Ag@MOF-74等的数值相当。298 K及100 kPa条件下,ZIF-7基和ZIF-11基多孔碳材料均具有很高的Xe吸附亨利系数、Xe/Kr亨利选择性和Xe的零点吸附能,其中Z11CBF-1000对Xe的吸附亨利系数高达80.0 mmol g-1 bar-1,Xe/Kr亨利选择性高达19.7,是目前已报道的最高值。298K及100kPa条件下的动态吸附实验表明,ZIF-7基多孔碳材料Z7CB-1000和ZIF-11基多孔碳材料Z11CBF-1000对Xe的动态吸附容量分别高达17.6 mmol/kg和20.6 mmol/kg,均高于文献报道值,说明了两者优秀的Xe动态吸附选择性能,具有良好的实际应用前景。研究表明,ZIF-7基和ZIF-11基多孔碳材料对Xe的选择性吸附性能远优于所选活性炭,归因于ZIF-7基和ZIF-11基多孔碳材料继承于ZIFs前驱体的高微孔孔隙率和狭窄的微孔孔径分布的孔道结构特征。