近日，中科院合肥研究院等離子體所陳長倫研究員課題組在氫同位素分離材料性能研究方面取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

　　高純氘(D2)是一種重要的工業(yè)和科學(xué)氣體，它已被廣泛用于中子緩蝕劑，同位素示蹤劑等領(lǐng)域。盡管對(duì)天然氘的需求量很大，但它的含量只相當(dāng)于海洋中天然氫的0.0156%。此外，D2及其同位素(H2或T2)分子具有幾乎相同的動(dòng)力學(xué)尺寸（2.4？ ×2.4 ？×3.14？），且具有非常相似的物理化學(xué)性質(zhì)（特別是沸點(diǎn):H2,20.39 K; D2,23.67 K;T2,25.03 K），使得高純度氫同位素混合氣分離被認(rèn)為是現(xiàn)代分離技術(shù)中最大的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)之一。

　　研究團(tuán)隊(duì)使用對(duì)苯二酚作為還原劑，構(gòu)建同時(shí)具有兩種Cu價(jià)態(tài)和微孔的Cu(I)Cu(II)-BTC材料，并用于1:1氫氘混合氣分離。結(jié)果顯示，Cu(I)Cu(II)-BTC材料獨(dú)特的Cu(I)和Cu(II)配位網(wǎng)絡(luò)，可以顯著促進(jìn)D2/H2同位素分離。密度泛函理論計(jì)算表明，骨架中Cu(I)大環(huán)的引入減小了孔尺寸，進(jìn)一步導(dǎo)致H2/D2分子在Cu(II)位點(diǎn)上的相互作用增強(qiáng)。Cu(I)Cu(II)-BTC在30 K時(shí)選擇性顯著提高（圖1），主要是由于動(dòng)力學(xué)量子篩分和化學(xué)親和量子篩分的協(xié)同作用。同時(shí)，Cu(I)Cu(II)-BTC中O-Cu(I)-O構(gòu)型的156°角較大，使得Cu(I)的dz2軌道和正電荷不能有效地參與氫相互作用，導(dǎo)致材料氫吸附結(jié)合強(qiáng)度較弱，無法在液氮溫度以上表現(xiàn)出Cu(I)位點(diǎn)高的化學(xué)親和力效應(yīng)，不能有效分離氫同位素（圖2）。研究團(tuán)隊(duì)首次提出了Cu(I)結(jié)構(gòu)對(duì)量子篩分效應(yīng)的影響，對(duì)高效氫同位素分離中具有金屬位點(diǎn)的多孔材料的合理設(shè)計(jì)提供了新的思路。

　　等離子體所博士研究生胡小宇為論文第一作者，通訊作者為等離子體所陳長倫研究員、中國工程物理研究院材料研究所周琳森副研究員和李佩龍高級(jí)工程師，等離子體所是第一完成單位。上述研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助和支持。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18221# 

　　圖1. Cu(I)Cu(II)-BTC分離性能比較 

　　圖2. Cu(I)Cu(II)-BTC分離D2/H2混合氣的機(jī)制