Een nieuw hybride materiaal ontwikkeld door wetenschappers van de Universiteit van Liverpool kan de droom van koolstofvrije kernfusie-energie een stap dichterbij brengen.

De scheiding van de drie isotopen van waterstof (waterstof, deuterium, en tritium) is van cruciaal belang voor fusietechnologie, maar de huidige technologieën zijn zowel energie-intensief als inefficiënt. Nanoporeuze materialen hebben het potentieel om waterstofisotopen te scheiden door een proces dat bekend staat als kinetische kwantumzeven (KQS), maar slechte prestatieniveaus verbieden momenteel opschalen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschap , Onderzoekers van de Materials Innovation Factory van de University of Liverpool hebben hybride poreuze organische kooien gemaakt die in staat zijn tot krachtige kwantumzeven die kunnen helpen bij het bevorderen van de deuterium / waterstofisotoopscheidingstechnologieën die nodig zijn voor fusie-energie.

deuterium, ook wel zware waterstof genoemd, heeft een aantal commerciële en wetenschappelijke toepassingen, inclusief kernenergie, NMR-spectroscopie en farmacologie. Deze toepassingen vereisen zeer zuiver deuterium, die duur is vanwege de lage natuurlijke overvloed. Deuteriumverrijking uit waterstofhoudende grondstoffen, zoals zeewater, is een belangrijk industrieel proces, maar het is duur en energie-intensief.

Poreuze organische kooien zijn een opkomend poreus materiaal, voor het eerst gerapporteerd door de groep van professor Andrew Cooper aan de Universiteit van Liverpool in 2009, die eerder zijn gebruikt voor de scheiding van xyleenisomeren, edelgassen, en chirale moleculen.

Echter, het op deze manier zuiveren van deuterium uit waterstof/deuteriumgasmengsels is moeilijk omdat beide isotopen onder normale omstandigheden dezelfde grootte en vorm hebben. Door kooien met kleine poriën en grote poriën te combineren in een enkele vaste stof, de groep heeft nu een materiaal geproduceerd met hoogwaardige scheidingsprestaties dat een uitstekende deuterium/waterstofselectiviteit combineert met een hoge deuteriumopname.

Het onderzoek werd geleid door professor Andrew Cooper FRS, wiens team van de Materials Innovation Factory de nieuwe kooisystemen heeft ontworpen en gesynthetiseerd. Een apart team onder leiding van Dr. Michael Hirscher van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen testte de scheidingsprestaties met behulp van cryogene thermische desorptiespectroscopie.

Professor Cooper zei:"De scheiding van waterstofisotopen is een van de moeilijkste moleculaire scheidingen die tegenwoordig bekend zijn. De "heilige graal" voor waterstof / deuteriumscheiding is om precies de juiste poriegrootte te introduceren om een ​​hoge selectiviteit te bereiken zonder de gasopname te veel in gevaar te brengen. "

"Onze aanpak maakt een uiterst delicate afstemming van de poriegrootte mogelijk - het volledige afstemvenster voor deze reeks kooien beslaat de diameter van een enkel stikstofatoom - en dit is ideaal geschikt voor toepassingen zoals KQS."

Hoofdauteur Dr. Ming Liu voegde toe:"Hoewel de synthetische benadering meerstaps organische synthese omvat, elke stap verloopt in bijna 100% opbrengst en er is geen tussentijdse zuivering, dus er is een goed potentieel om deze materialen op te schalen."

Structurele studies uitgevoerd bij de Britse Diamond Light Source en de Advanced Light Source in Californië stelden het Liverpool-team in staat een locatieselectieve, vaste toestand reactie, waardoor de poriegrootte van de poreuze organische kooien nauwkeurig kon worden afgestemd. Deze onderzoeken stelden het team ook in staat om de structuur van hun best presterende materiaal te ontwerpen en te begrijpen, die kooien met kleine poriën en grote poriën combineerden. Co-auteur Dr. Marc Little voegde toe:"Gegevens verzameld in deze toonaangevende faciliteiten onderbouwden onze belangrijkste structurele bevindingen en waren een integraal onderdeel van deze studie."

Het mechanistische begrip van de superieure prestaties van deze materialen werd ondersteund door een gezamenlijke rekeninspanning, geleid door Dr. Linjiang Chen van het Leverhulme Research Center for Functional Materials Design in de Materials Innovation Factory, ook met theoretische groepen van de Xi'an Jiaotong-Liverpool University (China) en de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Zwitserland).

Hoewel het gerapporteerde materiaal uitstekende prestaties levert om deuterium van waterstof te scheiden, de ideale bedrijfstemperatuur is laag (30 K). De groep werkt nu aan het ontwerpen van een nieuw materiaal dat waterstofisotopen bij hogere temperaturen kan scheiden.

De krant, "Nauwelijks poreuze organische kooien voor scheiding van waterstofisotopen, " is gepubliceerd in Wetenschap .