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使用功能化的金属有机框架化合物过滤重氢

重氢的储层:重氢同位素的分子氘和氚优先与金属 - 有机骨架化合物中的铜原子结合。因此金属原子在此图像中象征性地表示为壳。

em来自马克斯普朗克研究所的研究小组开发了一种金属有机骨架化合物,可以比以前的方法更有效地将氘和氚与正常氢分离。 / em

氘和氚是未来的物质 - 但它们很少见。氢的重同位素不仅在科学领域有着广泛的应用,而且还可以为明天的核能融合燃料做出贡献。氘在一些目前正在美国获得监管批准的药物中也包含在内。然而,从氢的天然同位素混合物中过滤氘的过程目前既困难又昂贵。来自马克斯普朗克智能系统研究所,马克斯普朗克固态研究所,莱比锡大学,雅各布大学不来梅,奥格斯堡大学和橡树岭国家实验室(美国)的科学家或许能够解决这个问题。他们提出了一种金属有机骨架化合物,它可以用来比以前的方法更有效地从正常氢中分离两种同位素。

在药物中,氘具有延长寿命的作用 - 尽管最初仅用于活性物质本身。人体代谢系统分解携带氘同位素的分子,其重量是氢的两倍,比掺入正常氢的同一物质更慢。因此含有氘的药物可以以较小的剂量给药,这意味着它们的副作用也会降低。氘与更重的放射性氢同位素氚一样,也在核聚变中发挥作用。这个让星星闪耀的过程有一天可能会使原子核融合在一起的发电厂燃烧,从而释放出大量的能量。

尽管氘只在短时间内用于制药,而其在发电厂中的潜在用途仍然存在,但它长期以来一直用于科学研究,例如通过代谢系统追踪营养物质的路径。 “在某种程度上,氘和氚在某些应用中是有用的,”作为马克斯普朗克智能系统研究所研究小组负责人的Michael Hirscher说,在研究中发挥了关键作用。 “但是,迄今为止,将氘和轻氢分离是非常困难的,”他说。

由金属有机框架制成的氘过滤器可节省能源

氘是从重水中获得的,重水的浓度仅为15‰。首先通过化学和物理方法(例如蒸馏)的组合来分离重水,以获得氘气。整个过程如此复杂和耗能,一克纯度为99.8%的氘的成本约为100欧元,使氢的重兄弟比金贵三倍左右,尽管氘在海洋中的含量超过300倍和地壳比黄金。

“我们的金属 - 有机骨架化合物应该能够更容易地分离氘与天然氢同位素混合物中的氘气,”Dirk Volkmer说,他在奥格斯堡大学固体化学系的同事合成了材料。在金属有机框架或简称为MOF中,金属离子通过有机分子连接形成具有相对较大孔隙的晶体。这些物质能够吸收与其重量相关的大量气体。

在研究小组建议用作氘和氚过滤器的化合物中,锌和铜离子形成金属节点。早在2012年,科学家就提出了一种仅含锌作为金属成分的金属有机骨架化合物。它能够过滤出氘 - 但只能在零下223摄氏度的温度下使用。

用铜代替锌,过滤器可以用液氮冷却

奥格斯堡的化学家因此用铜原子取代了一些锌原子,其中的电子壳层更有选择性地滤出氘,并在较高的温度下这样做。迈克尔Hirscher和他的在马克斯普朗克智能系统研究所的工作人员和橡树岭国家实验室的研究人员在各种测试中证实了这一特性。除此之外,他们确定了在不同温度下两种同位素等份混合物吸收的氘和正常氢的数量。他们发现在零下173摄氏度时,它储存的氘数量是氘的12倍。 “在这个温度下,分离过程可以用液氮冷却,这使得它比只能在零下200度下工作的方法更具成本效益,”Michael Hirscher说。

由Thomas Heine领导的理论化学家团队最近在莱比锡大学在不来梅Jacobs大学任教之后在莱比锡大学任教,帮助解释收集的数据。 “我们的计算将实验难题的各个部分组合在一起,形成一幅连贯的图画,”科学家说。

金属有机框架必须吸收更多的气体

氘和正常氢的数据表明,计算结果的预测与实验结果非常吻合。因此,理论家们相信,那些不容易通过实验测试的计算结果同样有效。 “我们对氚的计算也可能是正确的。但这只能在严格的安全程序下通过实验证实,“Thomas Heine说。

该材料还可以从同位素混合物中非常有效地吸收放射性氢同位素。这可能是一个特殊应用的有用特性,其目的不是获得同位素,而是去除同位素。氚来自发电厂的水,包括在2011年灾难中淹没福岛反应堆的水。尽管放射性污染的水首先必须经过电解以将含氚水分子转化为含氚氢气,但新的金属有机骨架化合物可以提供处置这种放射性废物的方式。然而,在氚和氘可以在实践中使用大孔径晶体从同位素混合物中过滤出来之前,首先必须精炼技术 - 尤其是,以便它可以吸收更多的气体。

中子是理想的研究分子氢的吸附

中子散射是研究氢的运动的非常敏感的工具,中子也区分来自不同同位素如氢和氘的信号。 “在金属有机结构中,氢分子吸附在不同位置,通过跟踪每个位点的氢和氘的相对数量,中子明确阐明了同位素分离的机制。”橡树岭散裂中子源Timmy Ramirez-Cuesta国家实验室说。该研究利用ORNL的VISION光谱仪 - 世界上最强大的化学中子光谱仪。

出版物:I.Weinrauch等人,“Capture with heavy hydrogen isotopes in a metal-organic framework with active Cu(I)sites,”Nature Communications,2017年2月28日; DOI:10.1038 / ncomms14496

来源:马克斯普朗克研究所