两种金属有机框架(MOFs)已经被发现,它们可以有效地分离水同位素,朝着解决化学经典问题之一迈出了一步。

由扩散调节机制设计的材料

来源:©苏焱等/施普林格Nature Limited 2022

mof的孔隙在受热时会变宽,这使得研究人员可以控制同位素的扩散

能够分离同位素对现代科学至关重要,对于同位素——具有相同化学公式但至少有一个原子具有不同中子数的化合物——的水来说尤其如此。例如,由氘(氢与中子)制成的重水,被广泛用作核磁共振溶剂,并可用于生物学中研究系统的能量消耗。在一些国家,如印度和中国,它也被用作核电站的中子缓蚀剂。

大约100年前,有效同位素分离的挑战就被提出了,当时诺贝尔化学奖得主乔治·德·海维西梦想着一种方法,“可以让人们决定一杯茶中所含的单个分子的命运”。水(H2O)重水2O)是很难被分开的——只有中子数不同;它们有非常相似的冰点,沸点和键能。这意味着通常的分离方法,如蒸馏和电解,都不是很有效。然而,不同的同位素有略微不同的扩散速率,中国广州华南理工大学的顾成领导的团队和进北川来自日本京都大学的研究人员已经扑了上来。

该团队的策略是使用两个基于铜的mof,具有超小的“触发器”孔,加热时打开,冷却时关闭,阻止运动。这有效地创建了一系列贯穿结构的扩散调节网关。这些mof使研究小组能够放大不同同位素之间扩散速率的差异。研究小组让水蒸气穿过结构,H2与其他同位素相比,O通过孔被吸收得更快,通过轻微的加热和冷却来改变结构。当研究小组在室温范围内用95% H的蒸汽混合物进行隔离时2O到5% D2O,他们可以有效地分离出这两个分数。

这并不是mof第一次被用来分离同位素。然而,该团队的分子笼子和“触发器”系统的效率使他们报告了破纪录的同位素分离。Kitagawa说:“在我们的工作中,水同位素的吸附分离远远优于传统方法。”他强调了该技术在室温下的选择性。“我们乐观地认为,在我们的工作指导下,新材料将被开发出来,以分离其他同位素。”

法学博士Meija位于渥太华的加拿大国家研究委员会的一名研究官员称,这项工作是“朝着以负担得起的方式生产标签水的方向迈出的一步”。然而,Meija警告说,就成本效益和时间而言,这种方法还没有与目前的最佳选择进行比较,比如电解或能源密集型的多步骤geb - spevack工艺,后者自20世纪40年代以来一直被用于分离水的同位素。Meija补充道:“mof在这项工作中的应用只关注硬币的一面——氢同位素。”“令我惊讶的是,人们对氧同位素的命运几乎没有谈到,而氧同位素可以说和氢一样重要,也不知道这一过程能否适用于人们梦寐以求的氧-17水的生产。”