Ученые разработали инновационный материал, способный отделять дейтерий (D₂) от водорода (H₂) при температуре 120 K (-153°C), что открывает возможность значительно снизить энергозатраты на производство этого важного изотопа. Медь-содержащий цеолитный имидазолатный каркас (Cu-ZIF-gis) функционирует при температуре более чем на 10°C выше точки сжижения природного газа (111 K/-162°C), что позволяет использовать существующую инфраструктуру СПГ для экономичного производства дейтерия.
Дейтерий, стабильный изотоп водорода, играет критическую роль в современных технологиях. Он используется для повышения долговечности и светоотдачи полупроводников и дисплейных устройств, а также служит топливом для термоядерного синтеза. Однако традиционные методы разделения дейтерия требуют криогенной дистилляции при экстремально низких температурах (20 K/-253°C), что делает процесс энергоемким и дорогостоящим.
Предыдущие металлоорганические каркасы (MOFs) работали при температурах около 23 K (-250°C), но их эффективность резко снижалась при 77 K (-196°C). Новый материал Cu-ZIF-gis сохраняет высокую эффективность при 120 K, что является значительным прорывом в технологии разделения изотопов.
Исследователи впервые установили, что превосходная производительность материала обусловлена увеличенным расширением решетки при повышении температуры. Механизм разделения основан на квантовом эффекте просеивания: при криогенных температурах поры материала меньше молекул H₂, что препятствует их прохождению. По мере повышения температуры решетка расширяется, увеличивая размер пор, что позволяет более тяжелым молекулам (D₂) эффективнее проходить через них.
Эти выводы были подтверждены серией экспериментов. Рентгеновская дифракция in-situ (XRD) подтвердила расширение решетки с повышением температуры. Квазиупругое рассеяние нейтронов (QENS) продемонстрировало разницу в диффузивности изотопов при повышенных температурах. Термодесорбционная спектроскопия (TDS) показала стабильное разделение D₂ при повышенных температурах. Эксперименты проводились в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция.
Исследовательскую группу возглавил профессор Хёнчул О (Hyunchul Oh) из Департамента химии Ульсанского национального института науки и технологии (UNIST). В команду также вошли профессор Джахеон Ким (Jaheon Kim) из Университета Сунгсиль, доктор Джитэ Парк (Jitae Park) из Центра Хайнца Майера Лейбница при Мюнхенском техническом университете и доктор Маргарита Руссина (Margarita Russina) из Берлинского центра материалов и энергии Гельмгольца. Первыми авторами исследования стали Минджи Юнг (Minji Jung), Джэву Парк (Jaewoo Park) и Раиш Мухаммад (Raeesh Muhammad) из Департамента химии UNIST.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Новый материал обладает рядом существенных преимуществ: он потребляет меньше энергии по сравнению с традиционными методами, обеспечивает повышенную эффективность разделения и может использовать существующую криогенную инфраструктуру СПГ. Это открывает перспективы для создания устойчивых технологий разделения изотопов.
Инновационный подход к разделению дейтерия может значительно снизить стоимость его производства, что в свою очередь ускорит развитие технологий, использующих этот изотоп, от электроники до термоядерной энергетики.
Изображение носит иллюстративный характер
Дейтерий, стабильный изотоп водорода, играет критическую роль в современных технологиях. Он используется для повышения долговечности и светоотдачи полупроводников и дисплейных устройств, а также служит топливом для термоядерного синтеза. Однако традиционные методы разделения дейтерия требуют криогенной дистилляции при экстремально низких температурах (20 K/-253°C), что делает процесс энергоемким и дорогостоящим.
Предыдущие металлоорганические каркасы (MOFs) работали при температурах около 23 K (-250°C), но их эффективность резко снижалась при 77 K (-196°C). Новый материал Cu-ZIF-gis сохраняет высокую эффективность при 120 K, что является значительным прорывом в технологии разделения изотопов.
Исследователи впервые установили, что превосходная производительность материала обусловлена увеличенным расширением решетки при повышении температуры. Механизм разделения основан на квантовом эффекте просеивания: при криогенных температурах поры материала меньше молекул H₂, что препятствует их прохождению. По мере повышения температуры решетка расширяется, увеличивая размер пор, что позволяет более тяжелым молекулам (D₂) эффективнее проходить через них.
Эти выводы были подтверждены серией экспериментов. Рентгеновская дифракция in-situ (XRD) подтвердила расширение решетки с повышением температуры. Квазиупругое рассеяние нейтронов (QENS) продемонстрировало разницу в диффузивности изотопов при повышенных температурах. Термодесорбционная спектроскопия (TDS) показала стабильное разделение D₂ при повышенных температурах. Эксперименты проводились в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция.
Исследовательскую группу возглавил профессор Хёнчул О (Hyunchul Oh) из Департамента химии Ульсанского национального института науки и технологии (UNIST). В команду также вошли профессор Джахеон Ким (Jaheon Kim) из Университета Сунгсиль, доктор Джитэ Парк (Jitae Park) из Центра Хайнца Майера Лейбница при Мюнхенском техническом университете и доктор Маргарита Руссина (Margarita Russina) из Берлинского центра материалов и энергии Гельмгольца. Первыми авторами исследования стали Минджи Юнг (Minji Jung), Джэву Парк (Jaewoo Park) и Раиш Мухаммад (Raeesh Muhammad) из Департамента химии UNIST.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Новый материал обладает рядом существенных преимуществ: он потребляет меньше энергии по сравнению с традиционными методами, обеспечивает повышенную эффективность разделения и может использовать существующую криогенную инфраструктуру СПГ. Это открывает перспективы для создания устойчивых технологий разделения изотопов.
Инновационный подход к разделению дейтерия может значительно снизить стоимость его производства, что в свою очередь ускорит развитие технологий, использующих этот изотоп, от электроники до термоядерной энергетики.
