Ett internationellt team av forskare, knuten till UNIST har presenterat ett nytt system för separation av väteisotoper baserat på en porös metallstruktur (MOF). Isoleringen av deuterium från en fysikaliskt-kemiskt nästan identisk isotopblandning har varit en avgörande utmaning i modern separationsteknik. Detta MOF-system, under tiden, kunde effektivt separera och lagra deuterium inuti porerna, uppvisar den högsta selektiviteten av något system hittills.

Detta genombrott har letts av professor Hoi Ri Moon vid School of Natural Science vid UNIST, Professor Hyunchul Oh från Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH) och Dr Michael Hirscher från Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI). Dessutom, deras verk visades på omslaget till oktobernumret 2017 av Journal of the American Chemical Society ( JACS ).

I studien, forskargruppen har rapporterat ett mycket effektivt väteisotopseparationssystem baserat på porösa metalliska organiska ramverk (MOF) genom en enkel strategi efter modifiering. Dessutom, de visade också att deuterium effektivt kunde separeras och lagras inuti porerna i MOF-74-IM-systemet genom att implementera två kvantsiktningseffekter i ett system.

Deuterium (kemisk symbol D eller ²H) är en stabil isotop av väte med en kärna som innehåller en neutron och en proton. Det är en oersättlig råvara, allmänt anställd i industriella och vetenskapliga forskningsapplikationer, allt från isotopspårning till neutronspridning, såväl som kärnfusion. Förutom att vara naturligt närvarande i mycket små mängder, deuterium utgör 0,016 % av det totala väte som förekommer i naturen.

I de flesta fallen, den önskade graden av deuterium kan uppnås genom att isolera deuterium från den isotopiska blandningen av väte. Dock, eftersom isotoper har liknande fysikaliska och kemiska egenskaper, processen att filtrera bort deuterium från den naturliga isotopblandningen av väte är för närvarande både svår och dyr. För att lösa det här problemet, forskare har designat en ny MOF-struktur som de hoppas kan leda till ett nytt vetenskapligt verktyg som selektivt kommer att filtrera bort deuterium, med hjälp av den så kallade "kvantsiktningseffekten".

"Du kanske tänker på kvantsiktningseffekten, som metoden för att separera deuterium och väte från varandra baserat på deras kvantskillnader via en kvantsikt, " säger Jin Yeong Kim i den kombinerade M.S/Ph.D of Natural Science, studiens första författare. "Det är som att skilja ris från en blandning av ris med hirs, med hjälp av en sil, efter deras storlek."

Det finns två typer av kvantsiktningseffekter för separation av deuterium hittills, kinetisk kvantsiktning (KQS) och kemisk affinitetskvantsiktning (CAQS). I studien, Professor Moon och hennes forskargrupp har föreslagit en ny strategi för att kombinera KQS och CAQS i ett system för att separera isotopblandningar, skapar därmed en synergistisk effekt.

Vidare, detta smarta materialsystem kunde bara testas experimentellt eftersom forskargruppen, ledd av Michael Hirscher, hade konstruerat en apparat där de kan analysera de lagrade mängderna av olika isotopgaser direkt med hjälp av en masspektrometer vid kryogena förhållanden. Deras nyutvecklade system har aldrig föreslagits, och sålunda, väckte stor uppmärksamhet som den första tekniken som både KQS- och CAQS-effekter äger rum samtidigt.

I det syftet, de valde den porösa MOF-74-Ni, har höga väteadsorptionsentalpier på grund av starka öppna metallställen, för CAQS-funktionalitet. Samtidigt, imidazolmolekyler (IM) användes i MOF-74-Ni-kanalen som en diffusionsbarriär, effektivt minska bländarstorleken och upprepade gånger blockera H2-diffusion, vilket resulterar i KQS-effekten. Därför, deuterium kan diffundera in i den kontrollerade porkanalen snabbare än väte, och företrädesvis bundna till de starka bindningsställena för Ni2+ öppna metallställen. Som ett resultat, separationsfaktorn uppvisade ca. 26 (26 deuteriummolekyler separerade per en vätemolekyl) vid 77 K.

"Selektiviteten på 26 är vida överlägsen alla tidigare system med maximalt 6 under identiskt tillstånd", säger Hyunchul Oh, motsvarande författare till tidningen. Han lägger till, "Vid 77 K, separeringsprocessen kan utnyttjas med flytande kväve, vilket gör den mer kostnadseffektiv än kryogen destillationsmetod som drivs med flytande helium vid nära 20 K, "

"Även om idén att separera deuterium med hjälp av kvantsiktningseffekter redan existerar, detta arbete är inte bara det första försöket att implementera två kvantsiktningseffekter, KQS och CAQS, i ett system, men ger också experimentell validering av användbarheten av detta system för praktisk industriell användning genom att isolera D2 med hög renhet genom direkt selektiva separationsstudier med användning av 1:1 D2/H2-blandningar." säger professor Moon, motsvarande författare till tidningen. Hon tillägger, "Vi räknar med att denna strategi kan ge nya möjligheter för intelligent design av porösa material som leder till utvecklingen av andra högeffektiva isotop- och gasseparationssystem."