Un equipo internacional de investigadores, afiliado a UNIST ha presentado un novedoso sistema de separación de isótopos de hidrógeno basado en un marco organometálico poroso (MOF). El aislamiento de deuterio a partir de una mezcla isotópica fisicoquímicamente casi idéntica ha sido un desafío fundamental en la tecnología de separación moderna. Este sistema MOF, mientras tanto, podría separar y almacenar de manera eficiente el deuterio dentro de los poros, exhibiendo la más alta selectividad de cualquier sistema hasta la fecha.

Este avance ha sido dirigido por el profesor Hoi Ri Moon en la Escuela de Ciencias Naturales de UNIST, El profesor Hyunchul Oh de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Gyeongnam (GNTECH) y el Dr. Michael Hirscher del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI). Además, Su trabajo apareció en la portada de la edición de octubre de 2017 de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense ( JACS ).

En el estudio, El equipo de investigación ha informado de un sistema de separación de isótopos de hidrógeno altamente eficaz basado en estructuras orgánicas de metal poroso (MOF) a través de una simple estrategia de modificación posterior. Además, También demostraron que el deuterio podía separarse y almacenarse eficientemente dentro de los poros del sistema MOF-74-IM mediante la implementación de dos efectos de tamizado cuántico en un sistema.

El deuterio (símbolo químico D o ²H) es un isótopo estable de hidrógeno con un núcleo que contiene un neutrón y un protón. Es una materia prima insustituible, ampliamente empleado en aplicaciones de investigación científica e industrial, que van desde el rastreo de isótopos hasta la dispersión de neutrones, así como la fusión nuclear. Además de estar presente de forma natural en cantidades muy pequeñas, el deuterio constituye el 0,016% del hidrógeno total presente en la naturaleza.

En la mayoría de los casos, el grado deseado de deuterio se puede lograr aislando el deuterio de la mezcla isotópica de hidrógeno. Sin embargo, debido a que los isótopos tienen propiedades físicas y químicas similares, el proceso de filtración de deuterio a partir de la mezcla isotópica natural de hidrógeno es en la actualidad a la vez difícil y caro. Para resolver este problema, Los científicos han diseñado una nueva estructura MOF que esperan que pueda conducir a una nueva herramienta científica que filtrará selectivamente el deuterio. utilizando el llamado "efecto de tamizado cuántico".

"Puede pensar en el efecto de tamizado cuántico, como el método de separar el deuterio y el hidrógeno entre sí en función de sus diferencias cuánticas a través de un tamiz cuántico, "dice Jin Yeong Kim en el M.S / Ph.D combinado de Ciencias Naturales, el primer autor del estudio. "Es como separar el arroz de una mezcla de arroz con mijo, usando un colador, según su tamaño ".

Hay dos tipos de efectos de tamizado cuántico para la separación del deuterio hasta la fecha, tamizado cuántico cinético (KQS) y tamizado cuántico de afinidad química (CAQS). En el estudio, La profesora Moon y su equipo de investigación han sugerido una nueva estrategia de combinar KQS y CAQS en un sistema para separar mezclas isotópicas. creando así un efecto sinérgico.

Es más, este sistema de material inteligente solo se pudo probar experimentalmente porque el equipo de investigación, encabezada por Michael Hirscher, habían diseñado un aparato en el que pueden analizar las cantidades almacenadas de diferentes gases isotópicos directamente con la ayuda de un espectrómetro de masas en condiciones criogénicas. Su sistema recientemente desarrollado nunca ha sido propuesto, y por lo tanto, atrajo mucha atención como la primera tecnología en la que los efectos KQS y CAQS tienen lugar simultáneamente.

Para ese propósito, eligieron el poroso MOF-74-Ni, tener altas entalpías de adsorción de hidrógeno debido a sitios de metal abiertos fuertes, para la funcionalidad CAQS. Simultaneamente, Se emplearon moléculas de imidazol (IM) en el canal MOF-74-Ni como barrera de difusión, reduciendo efectivamente el tamaño de la apertura y bloqueando repetidamente la difusión de H2, resultando en el efecto KQS. Por lo tanto, el deuterio podría difundirse en el canal de poros controlado más rápido que el hidrógeno, y se une preferentemente a los sitios de unión fuertes de los sitios de metal abiertos de Ni2 +. Como resultado, el factor de separación exhibió ca. 26 (26 moléculas de deuterio separadas por una molécula de hidrógeno) a 77 K.

"La selectividad de 26 es muy superior a cualquier sistema anterior con un máximo de 6 en idénticas condiciones", dice Hyunchul Oh, el autor correspondiente del artículo. Él añade, "A 77 K, el proceso de separación se puede explotar con nitrógeno líquido, lo que lo hace más rentable que el método de destilación criogénica operado con helio líquido a cerca de 20 K, "

"Aunque ya existe la idea de separar el deuterio utilizando efectos de tamizado cuántico, Este trabajo no es solo el primer intento de implementar dos efectos de tamizado cuántico, KQS y CAQS, en un sistema, pero también proporciona una validación experimental de la utilidad de este sistema para el uso industrial práctico al aislar D2 de alta pureza a través de estudios de separación selectiva directa utilizando mezclas 1:1 D2 / H2 ", dice el profesor Moon, el autor correspondiente del artículo. Ella agrega, "Anticipamos que esta estrategia puede brindar nuevas oportunidades para el diseño inteligente de materiales porosos que conduzcan al desarrollo de otros sistemas de separación de gases e isótopos altamente eficientes".