Een nieuwe studie door een internationaal team van onderzoekers verbonden aan UNIST is erin geslaagd een nieuwe deuteriumscheidingsmethode te ontwikkelen met behulp van een speciale klasse van metaalorganische raamwerken (MOF's) waarvan de poriënafmetingen veranderen bij gasadsorptie. Met deze nieuwe strategie kan deuterium sneller diffunderen door de uitgebreide poriën van MOF's als reactie op waterstofgasadsorptie.

Deze doorbraak komt uit een recent onderzoek onder leiding van professor Hoi Ri Moon in de School of Natural Science van UNIST in samenwerking met professor Hyunchul Oh van Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH), en Dr. Michael Hirscher van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen. Gepubliceerd in het nummer van 27 november van de Tijdschrift van de American Chemical Society , de studie toont aan dat een dynamisch poreus materiaal mengsels van moleculen van vergelijkbare grootte en vergelijkbare vorm kan scheiden die nauwkeurige porie-afstemming vereisen.

Flexibele metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn een unieke klasse van materialen die dynamische veranderingen van de poriënopening vertonen die worden veroorzaakt door externe stimuli. In flexibele MOF's, adsorptie en desorptie van gastmoleculen, veranderingen in temperatuur, en zelfs mechanische druk resulteert in de uitzetting en samentrekking van de poriediameter, het proces vergelijkbaar met het ademhalingsmechanisme.

In de studie, het onderzoeksteam onderzocht experimenteel de dynamische ademhalingsovergang van het flexibele MOF-systeem MIL-53(Al) voor efficiënte waterstofisotoopscheiding. De studie is de eerste poging om de structurele flexibiliteit van MOF's te benutten die wordt veroorzaakt door het ademhalingsfenomeen voor de scheiding van waterstofisotopen.

"Bij externe prikkels, de flexibele MOF's veranderen hun poriënafmetingen en dit resulteert in een effect, bekend als ademen waarbij de poriën samentrekken of uitzetten als reactie, " zegt Jin Yeong Kim, de eerste auteur van de studie. "Met behulp van deze strategie het is mogelijk om de gewenste gascomponenten selectief te adsorberen en te desorberen."

In de studie, Professor Moon en haar onderzoeksteam hebben een strategie ontwikkeld voor het effectief scheiden van waterstofisotopen door de dynamische porieverandering tijdens de ademhaling van MIL-53(Al). De MIL-53(Al) is een vertegenwoordiger van flexibele MOF's met een netwerkstructuur, die lijkt op die van een lange rubberen buis met beide uiteinden open.

Bij een cryogene temperatuur (-233 °C), nauwe poriën (0,26 nm, 1 nm =miljardste van een meter) in MIL-53 (Al) neemt toe tot grote poriën (0,85 nm) bij adsorptie van waterstofgas. De uitbreiding begint bij de ingang en breidt zich uit naar het centrum. Hier, deuterium diffundeert veel sneller dan waterstof. De diffusie van deuterium vindt plaats dichter bij het centrum waar zich nauwe poriën bevinden. Als resultaat, alleen deuterium blijft in MIL-35 (Al).

"Er is een moment waarop het deuterium het beste kan worden uitgezocht tijdens de dynamische verandering van de poriestructuur van het flexibele metaal-organische raamwerk." zegt professor Maan, de corresponderende auteur van het artikel. Zij voegt toe, "Als je dit moment grijpt, deuterium kan gemakkelijk met de hoogste efficiëntie worden verkregen zonder een complex scheidingssysteem te hoeven ontwerpen en synthetiseren."

De onderzoekers pasten de poriënstructuur systematisch aan door de blootstellingstemperatuur te veranderen, druk, en tijd om de optimale poriestructuur van MIL-53(Al) te vinden. Als resultaat, een grote hoeveelheid deuterium (12 mg) per 1 g MIL-53 (Al) kon worden afgescheiden. Als referentie, in de vorige studie, de hoeveelheid deuteriumafscheiding bedroeg slechts 5 mg per gram poreus materiaal.

"Deze studie toont het potentieel aan van een flexibel metaal-organisch raamwerk in de scheiding van waterstofisotopen, " zegt professor Oh, de corresponderende auteur van het artikel. Hij voegt toe, "Dit onderzoek zal nieuwe ideeën opleveren voor het ontwikkelen van een efficiënt systeem, vertonen zowel een hoge selectiviteit als scheidingscapaciteit, voor het scheiden van gasmengsels van atomen/moleculen met vergelijkbare grootte en vorm."