放射性Xe同位素是核试验及核反应堆安全监测的重要核素。放射性Xe同位素监测的关键是解决在常温条件下从空气中吸附、分离和浓集微量Xe气体,以获得放射性浓度较高的Xe气体样品的方法和技术问题。由于释放到空气中的放射性Xe的浓度低,且Xe的物理、化学性质又极其不活泼,使得解决这个问题的难度很大。Xe气属于稀有气体,物理、化学性质都比较稳定,所以,在常温条件下材料与Xe的相互作用主要表现为物理吸附,而物理吸附受工作温度的影响较大。现有吸附分离Xe的功能材料在常温下对Xe的吸附分离效果不佳,因此,本论文的重点就是研究如何获得在常温条件下高选择性吸附分离Xe的功能材料。论文工作首先利用理论模拟计算结合实验研究确定了常温条件下高选择性吸附Xe的材料需要有适合Xe吸附分离的孔径大小。其次研究确定了常温条件下高效吸附Xe的材料还需要材料载带有能对Xe最外层电子产生极化效应的金属离子或官能团。这是因为Xe属于原子数较多、原子量大的稀有气体原子,它的最外层电子离原子核比较远,因此受到的束缚也相对较弱。这些外层电子遇到吸引力强的其他原子,就会与气体原子产生弱的范德华引力,即极化效应。极化效应会增强材料与Xe的吸附性能。本文利用第一性原理的局域密度近似(LDA)方法和经过色散修正的密度泛函理论(DFT-D),分别计算Ag+、Na+以及K+取代的硅铝酸盐对Xe的吸附能量的变化,结果表明Ag+取代的硅铝酸盐系统(银分子筛)对Xe的吸附能为-76.568kJ/mol,远远高于Na+和K+取代的硅铝酸盐系统,说明硅铝酸银(银分子筛)对Xe的吸附能力强。同时,研究发现,硅铝酸银内部电场的极化效应,导致Xe原子周围电荷密度的分布由球形过渡为六角形。稀有气体原子中,Xe原子参与van der Waals色散的电子最多,其最小电荷密度的值最高,因而其受到Ag+离子的库仑极化最为强烈,且极化电荷所包围的空间范围也最大,所以硅铝酸银(银分子筛)对Xe原子的吸附也就最为强烈。根据理论计算的结果,选择了容易与Ag+置换的ETS-10(分子筛的一种)作为基材,制备获得含有不同比例Ag+的银分子筛(Ag-ETS-10)的材料,并对制备的材料进行了表征。材料的气体吸附分离性能实验结果表明,Ag-ETS-10在常温条件下吸附Xe的能力优于ETS-10。同时发现,Ag+置换的比例对吸附Xe的性能也有很大影响。在大量Ag+置换的情况下,Ag-ETS-10对Xe的吸附表现出温度越高吸附性能越强的现象,且在较高的温度条件下仍然对Xe有较好的吸附性能,这与物理吸附的规律是相反的,分析认为可能是大量的Ag+对Xe产生较强的极化效应,该结果需要进一步的研究。采用计算化学模拟的方法,通过理论计算与实验研究有机结合的方式来实现模拟指导下的材料定向合成。目前迅速发展的金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks:MOFs)和共价有机材料(Covalent-Organic Materials:COMs),具有比表面积超高,材料结构的可裁剪,材料的功能性较多的特点,被广泛地用在存储气体和吸附分离气体的领域。MOFs和COMs材料结构千变万化,仅仅依靠实验研发高性能材料,需要大量的重复实验,这样既费时又费力,而计算化学模拟方法能有效地解决这个难题。计算化学模拟计算结果表明：小孔径的材料(如Cu-BTC框架材料)不仅在低压下具有较高的Xe吸附量,而且对Xe具有较好的吸附分离效果。通过研究Xe吸附过程中的微观结构和微观密度分布发现,Xe倾向于吸附在框架材料的开放金属位上。随着金属位吸附的饱和,Xe分子则吸附到框架材料的配体位上。采用水热溶剂法制备了Cu-BTC、ZIF-8以及COP-4三种材料,并对材料的结构性能进行了表征分析,制备的三种材料Cu-BTC、ZIF-8以及COP-4均属于微孔材料,且孔径大小均比较适合Xe的吸附。同时,为了与常用的活性炭材料的性能进行比较,选择了一种活性炭材料进行结构表征。最后分别采用静态吸附法、动态吸附法、低浓度穿透曲线和色谱分离的测定方法对四种材料的吸附分离性能进行了实验研究。静态和动态吸附实验结果均表明：Cu-BTC由于具有开放的金属位点、较高的比表面积以及合适的孔径尺寸(1nm左右),在常温条件下对Xe的吸附表现出优异的性能。低浓度穿透曲线测定结果表明,Cu-BTC能有效的将Xe和Kr、N2、O2分离开来,色谱分离实验表明,在Xe和CO2浓度相差不大的情况下,Cu-BTC也能有效地将Xe和CO2分离开。在实际应用过程中,采用先降低CO2浓度,再选择合适的温度和流量的方法,能将两者有效地分离开。本论文的理论计算和实验研究表明,材料的尺寸效应和对Xe的极化效应的协同作用使得材料对Xe的吸附能力增强,同时对Xe的选择性也增强。因此,本论文提出了常温条件下高选择性吸附Xe的功能材料要同时具备孔径尺寸效应和对Xe的极化效应。常温条件下高选择性吸附Xe的功能材料通过实验验证其性能后,可应用于放射性Xe的监测技术研究,将使放射性Xe监测的操作流程更加简便、快捷。采用新型功能材料研制的监测系统将具有体积更小,重量更轻,保障要求更少的优点。因此,常温高选择性吸附Xe的功能材料研究对于放射性Xe的监测具有重要的意义。