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一项新研究提出了柔性MOF中特定的同位素响应转变

同位素识别 核聚变
发布:2020-09-15 15:22:26    

隶属于UNIST的一组研究人员介绍了一种新颖的响应系统,该系统能够对理化上相似的混合物(例如同位素)进行分子识别。这将为生成重氢提供简单、经济的解决方案,而重氢是核聚变发电必不可少的原材料。

Hoi Ri Moon教授及其研究团队与庆南科技大学的Hyunchul Oh教授和韩国原子能研究院(KAERI)的In Hwan Oh教授合作,揭示了一种新现象,其中重氢在给定的温度和压力条件下,柔性金属有机骨架(MOF)选择性吸附重金属(即氘)。利用这一原理,从气态氢中分离氘,利用该原理,可以将氘与氢气有效地分离。

鉴于研究的重要性,该研究结果被选为《美国化学学会杂志》(JACS)的封面文章,并于7月14日发布。

电影《钢铁侠》中的“电弧反应堆”利用核聚变能产生爆炸性能量。氘是该电弧反应器的原料。氢的“同位素”比普通氢具有更多的中子。它仅包含极少量的氢气,约占总氢气的0.016%,使其难以分离且价格昂贵。有一种使用“挠性金属-有机骨架”分离氘的方法,该方法内部有许多孔且孔的大小发生变化,但需要精确的温度和压力控制,并且可分离的量很小。这是因为难以满足仅氘可被“吸附”在孔中的条件。

Hoe-ri Moon教授的研究小组发现,代表性的“柔性金属有机骨架”“ MIL-53”具有“第二次呼吸现象”,仅在一定温度和压力下在氘中才能打开。他们设计了一种获得氘的方法。氢和氘都引起“呼吸反应(第一次呼吸)”,使肺等柔性金属有机骨架的孔膨胀,但是仅在氘气中,第二次呼吸反应使孔再次膨胀。在现有的分离方法中,氘和普通氢都可以渗透并通过孔,因此必须精确调节仅将氘吸附在孔中的条件。另一方面,如果使用这次发现的“第二次呼吸现象”,该研究小组使用“ MIL-53”进行了氘分离实验,“ MIL-53”是一种柔软的金属有机骨架,看起来像长橡胶管,两端均敞开。从在低温(-253°C)遇到氢气的那一刻起,骨架内部尺寸为0.26 nm(纳米,1 nm = 1十亿分之一米)的小孔长到0.67 nm,温度升高(-248°C)。)如果压力保持在800〜1000 mbar,则由于第二次呼吸现象,孔会再次膨胀(孔径0.86 nm)。第二次呼吸现象仅由氘引起。

实验的结果是,由于第二次呼吸,每1 g多孔材料可吸收的氘量为32 mg,这是先前研究中分离出的氘(12 g)量的2.5倍。此外,研究团队还通过中子散射实验进一步分析了由于氘选择性吸附到孔中而导致的金属有机骨架的结构变化,从而在MIL-53(Al)孔中存在高密度氘根据条件。证明了这一点。

Moon教授说:“通过这项研究,我们能够再次证明柔性金属有机骨架在氢同位素分离中的潜力。” “我们相信这项研究为开发新型智能材料开辟了新途径,该材料能够同时识别和响应特定的同位素分子,并具有广泛的应用范围。”

吴贤哲教授说:“这项研究对于发现一种新的吸附现象具有重要意义,在这种现象中,柔性金属有机骨架的结构仅通过对特定同位素的选择性反应而改变了结构。” 无需设计和处理分离系统,经济的同位素分离和氘富集是可能的。”

这项研究是由蔚山大学的姜成固教授和德国核聚变研究所(FRM-II)的朴智泰博士共同参与的,并得到了韩国研究基金会中型研究员的支持。

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