Een internationaal team van onderzoekers, aangesloten bij UNIST heeft een nieuw waterstofisotoopscheidingssysteem gepresenteerd op basis van een poreus metaalorganisch raamwerk (MOF). De isolatie van deuterium uit een fysisch-chemisch bijna identiek isotopenmengsel is een baanbrekende uitdaging geweest in de moderne scheidingstechnologie. Dit MOF-systeem, In de tussentijd, zou deuterium efficiënt kunnen scheiden en opslaan in de poriën, met de hoogste selectiviteit van alle systemen tot nu toe.

Deze doorbraak is geleid door professor Hoi Ri Moon in de School of Natural Science van UNIST, Professor Hyunchul Oh van Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH) en Dr. Michael Hirscher van Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI). In aanvulling, hun werk stond op de omslag van het oktobernummer van 2017 van de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ).

In de studie, het onderzoeksteam heeft een zeer effectief scheidingssysteem voor waterstofisotopen gerapporteerd op basis van poreuze metaal-organische raamwerken (MOF's) via een eenvoudige post-modificatiestrategie. In aanvulling, ze toonden ook aan dat deuterium efficiënt kan worden gescheiden en opgeslagen in de poriën van het MOF-74-IM-systeem door twee kwantumzeefeffecten in één systeem te implementeren.

Deuterium (chemisch symbool D of ²H) is een stabiele isotoop van waterstof met een kern die één neutron en één proton bevat. Het is een onvervangbare grondstof, wijd gebruikt in industriële en wetenschappelijke onderzoekstoepassingen, variërend van isotopentracering tot neutronenverstrooiing, evenals kernfusie. Behalve dat het van nature in zeer kleine hoeveelheden aanwezig is, deuterium vormt 0,016% van de totale hoeveelheid waterstof die in de natuur voorkomt.

In de meeste gevallen, de gewenste mate van deuterium kan worden bereikt door deuterium te isoleren uit het isotopenmengsel van waterstof. Echter, omdat isotopen vergelijkbare fysische en chemische eigenschappen hebben, het proces van het filteren van deuterium uit het natuurlijke isotopenmengsel van waterstof is momenteel zowel moeilijk als duur. Om dit probleem op te lossen, wetenschappers hebben een nieuwe MOF-structuur ontworpen waarvan ze hopen dat deze kan leiden tot een nieuw wetenschappelijk hulpmiddel dat selectief deuterium zal filteren, met behulp van het zogenaamde "kwantumzeefeffect".

"Je kunt denken aan het kwantumzeefeffect, als de methode om deuterium en waterstof van elkaar te scheiden op basis van hun kwantumverschillen via een kwantumzeef, ", zegt Jin Yeong Kim in de gecombineerde MS/Ph.D of Natural Science, de eerste auteur van de studie. "Het is als rijst scheiden van een mengsel van rijst met gierst, met behulp van een zeef, volgens hun grootte."

Er zijn tot nu toe twee soorten kwantumzeefeffecten voor de scheiding van deuterium, kinetische kwantumzeven (KQS) en kwantumzeven met chemische affiniteit (CAQS). In de studie, Professor Moon en haar onderzoeksteam hebben een nieuwe strategie voorgesteld om KQS en CAQS in één systeem te combineren om isotopenmengsels te scheiden, waardoor een synergetisch effect ontstaat.

Verder, dit slimme materiaalsysteem kon alleen experimenteel worden getest omdat het onderzoeksteam, onder leiding van Michael Hirscher, hadden een apparaat ontworpen waarin ze de opgeslagen hoeveelheden van verschillende isotopengassen direct kunnen analyseren met behulp van een massaspectrometer onder cryogene omstandigheden. Hun nieuw ontwikkelde systeem is nooit voorgesteld, en daarom, trok veel aandacht als de eerste technologie waarbij zowel KQS- als CAQS-effecten gelijktijdig plaatsvinden.

Met dat doel, ze kozen voor de poreuze MOF-74-Ni, met hoge waterstofadsorptie-enthalpieën als gevolg van sterke open metaalplaatsen, voor CAQS-functionaliteit. Tegelijkertijd, imidazoolmoleculen (IM) werden gebruikt in het MOF-74-Ni-kanaal als een diffusiebarrière, het effectief verkleinen van de diafragmagrootte en het herhaaldelijk blokkeren van H2-diffusie, wat resulteert in het KQS-effect. Daarom, deuterium kan sneller in het kanaal met gecontroleerde poriën worden verspreid dan waterstof, en bij voorkeur gebonden aan de sterke bindingsplaatsen van Ni2+ open metaalplaatsen. Als resultaat, de scheidingsfactor vertoonde ca. 26 (26 deuteriummoleculen gescheiden per waterstofmolecule) bij 77 K.

"De selectiviteit van 26 is veel beter dan alle eerdere systemen met een maximum van 6 onder identieke omstandigheden", zegt Hyunchul Oh, de corresponderende auteur van het artikel. Hij voegt toe, "Bij 77 K, het scheidingsproces kan worden benut met vloeibare stikstof, waardoor het kosteneffectiever is dan de cryogene destillatiemethode die wordt uitgevoerd met vloeibaar helium van bijna 20 K, "

"Hoewel het idee om deuterium te scheiden met behulp van kwantumzeefeffecten al bestaat, dit werk is niet alleen de eerste poging om twee kwantumzeefeffecten te implementeren, KQS en CAQS, in één systeem, maar biedt ook experimentele validatie van de bruikbaarheid van dit systeem voor praktisch industrieel gebruik door zeer zuiver D2 te isoleren door middel van directe selectieve scheidingsstudies met 1:1 D2/H2-mengsels", zegt professor Moon, de corresponderende auteur van het artikel. Zij voegt toe, "We verwachten dat deze strategie nieuwe kansen kan bieden voor het intelligente ontwerp van poreuze materialen, wat leidt tot de ontwikkeling van andere zeer efficiënte isotopen- en gasscheidingssystemen."