Burmolekyler fungerer som molekylsigter til adskillelse af brintisotop

Et nyt hybridmateriale udviklet af forskere ved University of Liverpool kan bringe drømmen om kulstoffri kernefusionskraft et skridt nærmere.

Adskillelsen af ​​brints tre isotoper (brint, deuterium, og tritium) er af central betydning for fusionskraftteknologi, men de nuværende teknologier er både energikrævende og ineffektive. Nanoporøse materialer har potentialet til at adskille brintisotoper ved en proces kendt som kinetisk kvantesigtning (KQS), men dårlige præstationsniveauer forbyder i øjeblikket opskalering.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Videnskab , forskere ved University of Liverpools Materials Innovation Factory har skabt hybride porøse organiske bure, der er i stand til højtydende kvantesigtning, der kan hjælpe med at fremme deuterium/hydrogen-isotopseparationsteknologierne, der er nødvendige for fusionskraft.

Deuterium, også kaldet tung brint, har en række kommercielle og videnskabelige anvendelser, herunder atomkraft, NMR -spektroskopi og farmakologi. Disse applikationer har brug for deuterium med høj renhed, hvilket er dyrt på grund af dets lave naturlige overflod. Deuteriumberigelse fra brintholdige råvarer, såsom havvand, er en vigtig industriel proces, men det er dyrt og energikrævende.

Porøse organiske bure er et porøst materiale på vej, første gang rapporteret af professor Andrew Coopers gruppe ved University of Liverpool i 2009, som tidligere er blevet brugt til adskillelse af xylenisomerer, ædelgasser, og chirale molekyler.

Imidlertid, at rense deuterium fra hydrogen/deuterium-gasblandinger på denne måde er vanskeligt, fordi begge isotoper har samme størrelse og form under normale forhold. Ved at kombinere små-pore og store-pore bure sammen i et enkelt fast stof, koncernen har nu produceret et materiale med højkvalitets separationsydelse, der kombinerer en fremragende deuterium/brint-selektivitet med en høj deuteriumoptagelse.

Forskningen blev ledet af professor Andrew Cooper FRS, hvis team på Materials Innovation Factory designede og syntetiserede de nye bursystemer. Et separat team ledet af Dr. Michael Hirscher ved Max Planck Institute for Intelligente Systems testede separationsydelsen ved hjælp af kryogen termisk desorptionsspektroskopi.

Professor Cooper sagde:"Separationen af ​​brintisotoper er nogle af de hårdeste molekylære separationer, der kendes i dag. "Den hellige gral" for brint/deuterium-separation er at indføre præcis den rigtige porestørrelse for at opnå høj selektivitet uden at kompromittere gasoptagelsen for meget. "

"Vores tilgang tillader ekstremt delikat tuning af porestørrelse - hele indstillingsvinduet for denne serie af bure spænder over diameteren et enkelt nitrogenatom - og dette passer ideelt til applikationer som KQS."

Hovedforfatter Dr. Ming Liu tilføjede:"Mens den syntetiske tilgang involverer organisk syntese i flere trin, hvert trin fortsætter i tæt på 100% udbytte, og der er ingen mellemliggende oprensning, så der er et godt potentiale for at skalere disse materialer. "

Strukturelle undersøgelser udført ved Storbritanniens Diamond Light Source og Advanced Light Source i Californien gjorde det muligt for Liverpool -teamet at udvikle et selektivt sted, faststofreaktion, hvilket gjorde det muligt at justere porestørrelsen af ​​de porøse organiske bure fint. Disse undersøgelser gjorde det også muligt for holdet at designe og forstå strukturen af ​​deres bedst ydende materiale, som kombinerede små-pore og store-pore bure. Medforfatter Dr. Marc Little tilføjede:"Data indsamlet på disse verdensførende faciliteter understøttede vores vigtigste strukturelle resultater og var en integreret del af denne undersøgelse."

Den mekanistiske forståelse af disse materialers overlegne ydeevne blev understøttet af en fælles beregningsindsats, ledet af Dr. Linjiang Chen fra Leverhulme Research Center for Functional Materials Design i Materials Innovation Factory, også involverer teoretiske grupper fra Xi'an Jiaotong–Liverpool University (Kina) og École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz).

Selvom det rapporterede materiale har fremragende ydeevne til at adskille deuterium fra brint, den ideelle driftstemperatur er lav (30 K). Gruppen arbejder nu på at designe et nyt materiale, der kan adskille brintisotoper ved højere temperaturer.

Papiret, "Næppe porøse organiske bure til adskillelse af brintisotoper, "udgives i Videnskab .