Ny strategi for isotopadskillelse med fleksibelt porøst materiale

En ny undersøgelse foretaget af et internationalt hold af forskere tilknyttet UNIST er lykkedes med at udvikle en ny deuterium-separationsmetode ved hjælp af en særlig klasse af metalorganiske rammer (MOF'er), hvis poredimensioner ændres ved gasadsorption. Denne nye strategi gør det muligt for deuterium at diffundere hurtigere gennem de udvidede porer i MOF'er som reaktion på brintgasadsorption.

Dette gennembrud kommer fra en nylig undersøgelse ledet af professor Hoi Ri Moon på School of Natural Science på UNIST i samarbejde med professor Hyunchul Oh fra Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH), og Dr. Michael Hirscher fra Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer. Udgivet i 27. november -udgaven af Journal of the American Chemical Society , undersøgelsen viser, at et dynamisk porøst materiale kan adskille blandinger af lignende størrelse og lignende formede molekyler, der kræver præcis porejustering.

Fleksible metal-organiske rammer (MOF'er) er en unik klasse af materialer, der udviser dynamiske ændringer af poreåbningen udløst af eksterne stimuli. I fleksible MOF'er, adsorption og desorption af gæstemolekyler, ændringer i temperatur, og selv mekanisk tryk resulterer i udvidelse og sammentrækning af porediameter, processen ligner vejrtrækningsmekanismen.

I undersøgelsen, forskergruppen undersøgte eksperimentelt den dynamiske vejrtrækningsovergang af det fleksible MOF-system MIL-53 (Al) for effektiv hydrogenisotopadskillelse. Undersøgelsen er det første forsøg på at udnytte den strukturelle fleksibilitet af MOF'er forårsaget af vejrtrækningsfænomenet for brintisotopseparation.

"Ved ydre stimuli, de fleksible MOF'er ændrer deres poredimensioner, og dette resulterer i en effekt, kendt som vejrtrækning, hvor porerne trækker sig sammen eller udvider sig som en reaktion, " siger Jin Yeong Kim, undersøgelsens første forfatter. "Ved hjælp af denne strategi, det er muligt selektivt at adsorbere og desorbere de ønskede gaskomponenter."

I undersøgelsen, Professor Moon og hendes forskerhold har udviklet en strategi til effektivt at adskille brintisotoper gennem den dynamiske poreændring under vejrtrækningen af ​​MIL-53(Al). MIL-53(Al) er en repræsentant for fleksible MOF'er med en netværksstruktur, ligner det lange gummirør med begge ender åbne.

Ved en kryogen temperatur (-233 °C), smalle porer (0,26 nm, 1 nm =milliardtedel af en meter) i MIL-53 (Al) øges til store porer (0,85 nm) ved brintgasadsorption. Udvidelsen begynder ved indgangen og forplanter sig til centrum. Her, deuterium diffunderer meget hurtigere end brint. Diffusionen af ​​deuterium sker tættere på midten, hvor smalle porer er placeret. Som resultat, kun deuterium er tilbage i MIL-35 (Al).

"Der er et øjeblik, hvor deuterium bedst kan vælges under den dynamiske ændring af porestrukturen i den fleksible metal-organiske ramme." siger professor Moon, den tilsvarende forfatter til papiret. Hun tilføjer, "Hvis du fatter dette øjeblik, deuterium kan let opnås med den højeste effektivitet uden at skulle designe og syntetisere et komplekst separationssystem. "

Forskerne justerede systematisk porestrukturen ved at ændre eksponeringstemperaturen, tryk, og tid til at finde den optimale porestruktur af MIL-53(Al). Som resultat, en stor mængde deuterium (12 mg) pr. 1 g MIL-53 (Al) kunne udskilles. Til reference, i den tidligere undersøgelse, mængden af ​​deuteriumseparation var kun 5 mg pr. gram porøst materiale.

"Denne undersøgelse demonstrerer potentialet i en fleksibel metal-organisk ramme i brintisotopseparationen, " siger professor Åh, den tilsvarende forfatter til avisen. Han tilføjer, "Denne forskning vil give nye ideer til at udvikle et effektivt system, udviser både høj selektivitet og separationskapacitet, til adskillelse af gasblandinger af atomer/molekyler med samme størrelse og form."