Ett nytt hybridmaterial utvecklat av forskare vid University of Liverpool kan föra drömmen om kolfri kärnfusionskraft ett steg närmare.

Separationen av vätes tre isotoper (väte, deuterium, och tritium) är av avgörande betydelse för fusionskraftsteknik, men nuvarande teknologier är både energiintensiva och ineffektiva. Nanoporösa material har potential att separera väteisotoper genom en process som kallas kinetisk kvantsiktning (KQS), men dåliga prestandanivåer förbjuder för närvarande uppskalning.

I en ny studie publicerad i Vetenskap , Forskare vid University of Liverpools Materials Innovation Factory har skapat hybridporösa organiska burar som är kapabla till högpresterande kvantsiktning som kan hjälpa till att främja deuterium/väteisotopseparationstekniken som behövs för fusionskraft.

Deuterium, även kallad tungt väte, har ett antal kommersiella och vetenskapliga användningsområden, inklusive kärnkraft, NMR-spektroskopi och farmakologi. Dessa applikationer behöver högrent deuterium, vilket är dyrt på grund av dess låga naturliga överflöd. Deuteriumanrikning från väteinnehållande råmaterial, som havsvatten, är en viktig industriell process, men det är kostsamt och energikrävande.

Porösa organiska burar är ett framväxande poröst material, rapporterades första gången av professor Andrew Coopers grupp vid University of Liverpool 2009, som tidigare har använts för separation av xylenisomerer, ädelgaser, och kirala molekyler.

Dock, att rena deuterium från väte/deuteriumgasblandningar på detta sätt är svårt eftersom båda isotoper har samma storlek och form under normala förhållanden. Genom att kombinera burar med små porer och stora porer tillsammans i ett enda fast ämne, koncernen har nu tagit fram ett material med högkvalitativ separationsprestanda som kombinerar en utmärkt deuterium/väte-selektivitet med ett högt deuteriumupptag.

Forskningen leddes av professor Andrew Cooper FRS, vars team på Materials Innovation Factory designade och syntetiserade de nya bursystemen. Ett separat team ledd av Dr. Michael Hirscher vid Max Planck Institute for Intelligent Systems testade separationsprestandan med hjälp av kryogen termisk desorptionsspektroskopi.

Professor Cooper sa:"Separationen av väteisotoper är några av de svåraste molekylära separationer som är kända idag. Den "heliga gralen" för väte/deuterium-separation är att införa exakt rätt porstorlek för att uppnå hög selektivitet utan att kompromissa med gasupptaget för mycket. "

"Vårt tillvägagångssätt tillåter extremt känslig inställning av porstorlek - hela inställningsfönstret för denna serie av burar sträcker sig över diametern en enda kväveatom - och detta passar idealiskt applikationer som KQS."

Huvudförfattaren Dr. Ming Liu tillade:"Medan det syntetiska tillvägagångssättet involverar organisk syntes i flera steg, varje steg fortsätter med nära 100 % utbyte och det finns ingen mellanliggande rening, så det finns god potential att skala upp dessa material."

Strukturella studier utförda vid brittiska Diamond Light Source och Advanced Light Source i Kalifornien gjorde det möjligt för Liverpool-teamet att utveckla en platsselektiv, fast tillståndsreaktion, vilket gjorde att porstorleken på de porösa organiska burarna kunde finjusteras. Dessa studier gjorde det också möjligt för teamet att designa och förstå strukturen för deras bäst presterande material, som kombinerade småporiga och storporiga burar. Medförfattaren Dr. Marc Little tillade:"Data som samlats in vid dessa världsledande anläggningar underbyggde våra viktigaste strukturella resultat och var en integrerad del av denna studie."

Den mekanistiska förståelsen av dessa materials överlägsna prestanda stöddes av en gemensam beräkningsansträngning, ledd av Dr. Linjiang Chen från Leverhulme Research Center for Functional Materials Design i Materials Innovation Factory, som också involverar teoretiska grupper från Xi'an Jiaotong–Liverpool University (Kina) och École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz).

Även om det rapporterade materialet har utmärkta prestanda för att separera deuterium från väte, den ideala driftstemperaturen är låg (30 K). Gruppen arbetar nu med att designa ett nytt material som kan separera väteisotoper vid högre temperaturer.

Pappret, "Knappt porösa organiska burar för väteisotopseparation, " publiceras i Vetenskap .