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华工顾成研究员、京都大学北川进教授 Nature：多孔材料中的 “ 扩散控制 ” 策略促进水的同位素分离

时间：2022-11-12 来源：浏览：

华工顾成研究员、京都大学北川进教授 Nature：多孔材料中的 “ 扩散控制 ” 策略促进水的同位素分离

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#多孔配位聚合物 2 个

#同位素分离 3 个

#重水 2 个

#扩散控制 2 个

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概述：

华南理工大学顾成研究员和京都大学特聘教授北川进课题组合作，首次成功开发了一种能够分离水（ H ₂ O ）和重水（ HDO 或 D ₂ O ）的多孔材料。

同位素是原子序数相同，但由于中子数量的不同而导致质量数不同的化学元素。例如，质量数为1 的氢（ H ）的同位素是氘（ D ），其质量数为2 。自然界中的水含有 " 重水 " ，其中水分子中的氢（ H ）被氘（ D ）取代，比率约为0.02% （万分之二）。

除了在核反应堆中用作减速剂之外，重水还是现代社会的一种基本物质，在放射治疗、中微子探测等方面具有医疗用途，并在科学研究中用作溶剂。然而，由于水和重水具有几乎相同的特性，到目前为止，分离和提纯重水是非常困难的。传统的分离方法需要反复蒸馏和电解，分离系数约为1.02-1.20 （分离系数为1.0 表示没有选择性，分离效率差），且需要消耗大量的能源, 成本高昂。

该项研究，使用有机配体和金属离子构筑了内部有大量微孔的多孔材料。在这种多孔材料的孔隙中，引入 " 门 " 分子，使通过孔隙的气体分子的流速得以调整，从而实现不同气体的分离。将该材料用于水和重水的实际分离时，分离系数达到 212 ，分离效率比传统方法高 100 多倍。

在未来，该材料有望被应用于重水的高效净化。这一设计理念有望为新型多孔晶体材料的设计提供启发，为实现高效、低成本分离其他同位素体提供新的思路。

1. 背景

多孔材料在日常生活中被广泛应用于吸附、分离和气体储存。典型的多孔材料如活性炭和沸石难以在分子水平上实现材料和孔隙结构的精确设计。为此，课题组开发了由有机分子和金属离子组成的具有周期性结构单元的晶体多孔材料，多孔配位聚合物（PCPs）又称作金属有机框架（MOFs ）。与传统的多孔材料如活性炭和沸石不同，PCPs 具有高度的结构可设计性，允许灵活地设计孔的结构，特别是孔大小和形状。然而，结构刚性的PCPs ，很难实现孔隙结构的超微调控，因此难以识别尺寸和性质非常相似的分子。2019年，顾成博士和北川进教授的研究团队开发了” 局域柔性 ” 的 PCP，可以控制气体在孔腔中的扩散，从而实现不同气体的分离（ Science 2019, 363, 387-391 ）。进一步开发利用这种 “门” 机制，本研究工作实现了具有重大挑战性的水和重水的分离（图）。

２．研究和成果

该团队制备了含有 “ 蜻蜓状 ” 配体的PCP（图 2 ）。蜻蜓翅膀般的结构可作为PCP 孔壁的闸门，通过翻折运动限制气体分子的通过。气体通过闸门的难易程度取决于分子本身的大小以及它们与PCP骨架相互作用的微妙差异。实验结果表明，在开发的PCP中，水分子的扩散速度比重水分子快。当多孔材料暴露在同时含有水和重水的蒸汽中时，水分子优先进入孔隙，分离系数最高达到了 212 。这是历史上首次开发出能够区分水和重水的多孔材料，而且分离系数是传统方法的 100 多倍。