近日，一种可在零下153摄氏度分离氘的材料被成功开发出来。这一温度比天然气液化温度零下162摄氏度高出10℃，被视为氘商业化生产的转折点。利用现有的液化天然气(LNG)生产管道，这一新材料为经济地生产氘开辟了新路径。
韩国蔚山科学技术大学化学系吴铉哲教授的研究团队与德国亥姆霍兹研究所、崇实大学金子宪教授的研究团队于20日联合宣布了这一成果。他们开发出了一种可在零下153℃分离氘和氢的多孔材料。
氘是下一代核聚变发电的原料，同时也是近年来半导体加工领域需求量急剧增加的物质。然而，其生产难度大、成本高，且由于氘与普通氢气具有相似的物理和化学性质，通常需要通过零下253℃的极低温精馏过程进行分离。近年来，金属有机骨架(MOF)这种多孔材料被用于分离氘的研究，但传统MOF材料在温度升高时性能会下降。
与传统MOF不同，新开发的铜基MOF即使在零下153℃的温度下也能保持其氘分离性能。传统MOF在零下250℃左右的温度下性能良好，但当温度达到零下193℃左右时，其性能会急剧下降。
研究团队发现，新材料之所以能在较高温度下保持性能，是因为其骨架晶格随温度升高而膨胀。所开发的MOF的孔隙在极低温度下小于氢气的尺寸，因此气体无法通过。但随着温度升高，骨架晶格扩散，孔隙尺寸增加，气体开始通过扩大的孔隙，氢气和氘通过量子筛效应被分离。量子筛分效应是一种在低温下较重元素更快穿过孔隙的现象。
实时X射线衍射和中子散射实验证实了骨架随温度升高而膨胀的现象，而在升高温度下进行的热解吸分析表明，氘在高温下能够稳定分离。
吴铉哲教授解释道：“与现有的超低温蒸馏方法相比，新开发的材料具有很高的分离效率，同时消耗的能量要少得多。”他还补充道：“由于其工作温度高于天然气冷凝温度，因此可以直接与现有的液化天然气(LNG)生产设施相结合，具有巨大的工业意义。”
这项研究由德国柏林亥姆霍兹中心的Margarita Russina博士共同撰写，蔚山科学技术大学的研究人员Minji Jeong和Jaewoo Park为共同第一作者。研究成果于2月27日发表在世界著名国际学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。
该项研究得到了科学技术信息通信部资助的中期研究项目和海外大型研究设施利用研究支援项目的支持。
