Udvikling af smart isotopadskillelsessystem

Et internationalt team af forskere, tilknyttet UNIST har præsenteret et nyt hydrogenisotopseparationssystem baseret på et porøst metal organisk rammeværk (MOF). Isoleringen af ​​deuterium fra en fysisk-kemisk næsten identisk isotopblanding har været en afgørende udfordring i moderne separationsteknologi. Dette MOF-system, i mellemtiden, effektivt kunne adskille og opbevare deuterium inde i porerne, udviser den højeste selektivitet af ethvert system til dato.

Dette gennembrud er blevet ledet af professor Hoi Ri Moon fra School of Natural Science ved UNIST, Professor Hyunchul Oh fra Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH) og Dr. Michael Hirscher fra Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI). Ud over, deres arbejde blev vist på forsiden af ​​oktober 2017-udgaven af Journal of the American Chemical Society ( JACS ).

I undersøgelsen, forskerholdet har rapporteret om et yderst effektivt hydrogenisotopseparationssystem baseret på porøse metalorganiske rammer (MOF'er) gennem en simpel post-modifikationsstrategi. Ud over, de demonstrerede også, at deuterium effektivt kunne adskilles og opbevares inde i porerne i MOF-74-IM-systemet ved at implementere to kvantesigtningseffekter i ét system.

Deuterium (kemisk symbol D eller ²H) er en stabil isotop af brint med en kerne, der indeholder en neutron og en proton. Det er et uerstatteligt råmateriale, bredt ansat i industrielle og videnskabelige forskningsapplikationer, lige fra isotopsporing til neutronspredning, samt nuklear fusion. Udover at være naturligt til stede i meget små mængder, deuterium udgør 0,016 % af den samlede brint, der forekommer i naturen.

I de fleste tilfælde, den ønskede grad af deuterium kan opnås ved at isolere deuterium fra den isotopiske blanding af hydrogen. Imidlertid, fordi isotoper har lignende fysiske og kemiske egenskaber, processen med at filtrere deuterium ud af den naturlige isotopblanding af brint er på nuværende tidspunkt både vanskelig og dyr. For at løse dette problem, Forskere har designet en ny MOF-struktur, som de håber kunne føre til et nyt videnskabeligt værktøj, der selektivt vil filtrere deuterium fra, ved hjælp af den såkaldte "kvantesigteeffekt".

"Du tænker måske på kvantesigtingseffekten, som metoden til at adskille deuterium og brint fra hinanden baseret på deres kvanteforskelle via en kvantesigte, " siger Jin Yeong Kim i Combined M.S/Ph.D of Natural Science, undersøgelsens første forfatter. "Det er som at adskille ris fra en blanding af ris med hirse, ved hjælp af en si, efter deres størrelse."

Der er to slags kvantesigtningseffekter til adskillelse af deuterium til dato, kinetisk kvantesigtning (KQS) og kemisk affinitet kvantesigtning (CAQS). I undersøgelsen, Professor Moon og hendes forskerhold har foreslået en ny strategi for at kombinere KQS og CAQS i ét system for at adskille isotopblandinger, derved skabes en synergistisk effekt.

Desuden, dette smarte materialesystem kunne kun testes eksperimentelt, fordi forskerholdet, ledet af Michael Hirscher, havde designet et apparat, hvor de kan analysere de lagrede mængder af forskellige isotopgasser direkte ved hjælp af et massespektrometer under kryogene forhold. Deres nyudviklede system er aldrig blevet foreslået, og dermed, tiltrukket sig stor opmærksomhed som den første teknologi, der både KQS og CAQS effekter finder sted samtidigt.

Til det formål, de valgte den porøse MOF-74-Ni, har høje hydrogenadsorptionsentalpier på grund af stærke åbne metalsteder, til CAQS-funktionalitet. Samtidigt, imidazolmolekyler (IM) blev anvendt i MOF-74-Ni-kanalen som en diffusionsbarriere, effektivt at reducere blændestørrelsen og gentagne gange blokere H2-diffusion, resulterer i KQS-effekten. Derfor, deuterium kunne diffunderes ind i den kontrollerede porekanal hurtigere end brint, og fortrinsvis bundet til de stærke bindingssteder af Ni2+ åbne metalsteder. Som følge heraf separationsfaktoren udviste ca. 26 (26 deuteriummolekyler adskilt pr. brintmolekyle) ved 77 K.

"Selektiviteten på 26 er langt overlegen i forhold til alle tidligere systemer med et maksimum på 6 under samme tilstand" siger Hyunchul Oh, den tilsvarende forfatter til avisen. Han tilføjer, "Ved 77 K, adskillelsesprocessen kan udnyttes med flydende nitrogen, hvilket gør det mere omkostningseffektivt end kryogen destillationsmetode, der drives med flydende helium ved tæt på 20 K, "

"Selvom ideen om at adskille deuterium ved hjælp af kvantesigtningseffekter allerede eksisterer, dette arbejde er ikke kun det første forsøg på at implementere to kvantesigtningseffekter, KQS og CAQS, i ét system, men giver også eksperimentel validering af anvendeligheden af ​​dette system til praktisk industriel brug ved at isolere D2 med høj renhed gennem direkte selektive separationsundersøgelser ved hjælp af 1:1 D2/H2-blandinger." siger professor Moon, den tilsvarende forfatter til avisen. Hun tilføjer, "Vi forventer, at denne strategi kan give nye muligheder for intelligent design af porøse materialer, der fører til udviklingen af ​​andre højeffektive isotop- og gasseparationssystemer."