德韩研究团队发现高温下高效分离氘的新材料

据德国亥姆霍兹联合会网站2025年3月19日报道，柏林亥姆霍兹中心、韩国蔚山国立科学技术研究院、海因茨迈尔莱布尼兹中心和韩国崇实大学的团队发现一种新型多孔材料可以在120 K的温度下将氘从氢中分离出来。该温度大大超过了天然气的液化点，有利于大规模应用，例如通过液化天然气（LNG）管道基础设施经济地生产氘。研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

这种新型材料是一种铜基沸石咪唑酯骨架（Cu-ZIF-gis），它在120K的条件下仍能展现出卓越的氘气分离性能。与传统的金属-有机框架（MOFs）相比，Cu-ZIF-gis在高温下的表现尤为出色。一般MOFs在23K左右能有效工作，但随着温度接近77K，其性能会急剧下降。而Cu-ZIF-gis则突破了这一限制，能够在更高的温度下保持高效的分离能力。研究发现，Cu-ZIF-gis的优异性能源于其晶格随温度升高而膨胀的特性。在低温下，该材料的孔径小于氢气分子，从而阻止氢气通过。随着温度上升，晶格膨胀，孔径增大，使得气体能够通过孔隙，从而利用量子筛分效应实现氢气和氘气的分离。在这种效应中，较重的氘气分子在低温下能更有效地穿过孔隙。

为了验证这一机制，研究团队在法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所（ILL）进行了原位X射线衍射（XRD）和准弹性中子散射（QENS）实验。这些实验不仅证实了晶格框架随温度升高而膨胀的现象，还揭示了即使在高温下，同位素扩散性的差异依然存在。此外，热脱附光谱（TDS）实验分析也表明，在高温条件下，该材料能够稳定地分离氘气。