En ny studie av ett internationellt team av forskare knutna till UNIST har lyckats utveckla en ny deuteriumseparationsmetod med hjälp av en speciell klass av metallorganiska ramverk (MOF) vars pordimensioner ändras vid gasadsorption. Denna nya strategi gör att deuterium kan spridas snabbare genom de expanderade porerna i MOF som svar på vätgasadsorption.

Detta genombrott kommer från en nyligen genomförd studie ledd av professor Hoi Ri Moon vid School of Natural Science vid UNIST i samarbete med professor Hyunchul Oh vid Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH), och Dr. Michael Hirscher från Max Planck Institute for Intelligent Systems. Publicerad i numret av den 27 november Journal of the American Chemical Society , studien visar att ett dynamiskt poröst material kan separera blandningar av liknande stora och liknande formade molekyler som kräver exakt porjustering.

Flexibla metallorganiska ramverk (MOF) är en unik klass av material som uppvisar dynamiska förändringar av poröppningen utlöst av yttre stimuli. I flexibla MOF, adsorption och desorption av gästmolekyler, förändringar i temperatur, och även mekaniskt tryck resulterar i expansion och sammandragning av pordiametern, en process som liknar andningsmekanismen.

I studien, forskargruppen undersökte experimentellt den dynamiska andningsövergången hos det flexibla MOF-systemet MIL-53(Al) för effektiv väteisotopseparation. Studien är det första försöket att utnyttja MOF:s strukturella flexibilitet orsakad av andningsfenomenet för väteisotopseparation.

"Vid yttre stimuli, de flexibla MOF:erna ändrar sina pordimensioner och detta resulterar i en effekt, känd som andning där porerna drar ihop sig eller expanderar som ett svar, säger Jin Yeong Kim, den första författaren till studien. "Med hjälp av denna strategi, det är möjligt att selektivt adsorbera och desorbera de önskade gaskomponenterna."

I studien, Professor Moon och hennes forskargrupp har utvecklat en strategi för att effektivt separera väteisotoper genom den dynamiska porförändringen under andningen av MIL-53(Al). MIL-53(Al) är en representant för flexibla MOF:er med en nätverksstruktur, liknar ett långt gummirör med båda ändar öppna.

Vid en kryogen temperatur (-233 °C), smala porer (0,26 nm, 1 nm =miljarddels meter) i MIL-53 (Al) ökar till stora porer (0,85 nm) vid adsorption av vätgas. Utbyggnaden börjar vid entrén och fortplantar sig till centrum. Här, deuterium diffunderar mycket snabbare än väte. Diffusionen av deuterium sker närmare centrum där smala porer är belägna. Som ett resultat, endast deuterium finns kvar i MIL-35 (Al).

"Det finns ett ögonblick då deuterium bäst kan plockas ut under den dynamiska förändringen av porstrukturen i det flexibla metallorganiska ramverket." säger professor Moon, motsvarande författare till tidningen. Hon tillägger, "Om du förstår detta ögonblick, deuterium kan enkelt erhållas med högsta effektivitet utan att behöva designa och syntetisera ett komplext separationssystem."

Forskarna justerade systematiskt porstrukturen genom att ändra exponeringstemperaturen, tryck, och tid för att hitta den optimala porstrukturen för MIL-53(Al). Som ett resultat, en stor mängd deuterium (12 mg) per 1 g MIL-53 (Al) kunde separeras. Som referens, i den tidigare studien, mängden deuteriumseparation var endast 5 mg per gram poröst material.

"Denna studie visar potentialen hos ett flexibelt metall-organiskt ramverk i väteisotopseparationen, " säger professor Åh, motsvarande författare till tidningen. Han lägger till, "Denna forskning kommer att ge nya idéer för att utveckla ett effektivt system, uppvisar både hög selektivitet och separationskapacitet, för att separera gasblandningar av atomer/molekyler med liknande storlek och form."