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新型材料助力高温下高效分离氘气，突破传统局限
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发布时间：
2025-03-24 15:00
在工业生产和科学研究中，能够从氢气（H₂）中分离出氘气（D₂）是一项至关重要的技术，因为氘气在提升半导体及显示设备性能、能源生产中的核聚变燃料等方面有着不可替代的作用。然而，随着对氘气需求的不断攀升，传统分离方法面临着巨大挑战，尤其是在低温下进行的分离过程，不仅能耗高，而且效率有限。
近期，由韩国蔚山科学技术院（UNIST）的Oh Hyunchul教授、成实大学的Kim Jaheon教授、慕尼黑工业大学的Jitae Park博士以及柏林亥姆霍兹材料与能源研究中心的Margarita Russina博士等组成的联合研究团队取得了一项重大突破。他们成功研发出一种新型的多孔材料，能够在相对较高的120K（-153℃）温度下，从氢气中分离出氘气。这一温度比天然气液化点（111K，-162℃）高出10多摄氏度，使得利用现有的液化天然气（LNG）生产管道基础设施来经济高效地生产氘气成为可能。
这种新型材料是一种铜基沸石咪唑酯骨架（Cu-ZIF-gis），它在120K的高温条件下仍能展现出卓越的氘气分离性能。与传统的金属-有机框架（MOFs）相比，Cu-ZIF-gis在高温下的表现尤为出色。一般MOFs在23K（-250℃）左右能有效工作，但随着温度接近77K（-196℃），其性能会急剧下降。而Cu-ZIF-gis则突破了这一限制，能够在更高的温度下保持高效的分离能力。
研究发现，Cu-ZIF-gis的优异性能源于其晶格随温度升高而膨胀的特性。在低温下，该材料的孔径小于氢气分子，从而阻止氢气通过。随着温度上升，晶格膨胀，孔径增大，使得气体能够通过孔隙，从而利用量子筛分效应实现氢气和氘气的分离。在这种效应中，较重的氘气分子在低温下能更有效地穿过孔隙。
为了验证这一机制，研究团队在法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所（ILL）进行了原位X射线衍射（XRD）和准弹性中子散射（QENS）实验。这些实验不仅证实了晶格框架随温度升高而膨胀的现象，还揭示了即使在高温下，同位素扩散性的差异依然存在。此外，热脱附光谱（TDS）实验分析也表明，在高温条件下，该材料能够稳定地分离氘气。
Oh教授指出：“与大多数在极低温度下操作的传统方法相比，这种新材料不仅能耗显著降低，而且分离效率大幅提高。”Jitae Park博士进一步强调：“这些发现可以应用于利用现有的LNG低温基础设施开发可持续的同位素分离技术，凸显了其潜在的工业影响。”
Margarita Russina博士则强调了QENS在研究中的关键作用：“通过QENS，我们可以直接探测H₂和D₂在MOFs中的分子运动，深入了解它们的扩散行为以及与多孔材料的相互作用。观察到的D₂相比H₂的更强限制效应，是一种严格发生在纳米尺度的现象，它对宏观性质产生了显著影响，为新一代更高效同位素分离材料的开发奠定了基础。”
这一研究成果于2025年2月27日发表在《自然通讯》上，得到了韩国国家研究基金会（NRF）、科学和信息通信技术部（MSIT）以及法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所（ILL）的支持。
这项创新技术有望彻底改变氘气分离领域，降低生产成本，提高效率，并为相关科学研究和工业应用提供更充足的氘气供应，推动多个高科技领域的发展。
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