Un nuevo material híbrido desarrollado por científicos de la Universidad de Liverpool puede acercar un paso más el sueño de la energía de fusión nuclear libre de carbono.

La separación de los tres isótopos del hidrógeno (hidrógeno, deuterio, y tritio) es de importancia clave para la tecnología de energía de fusión, pero las tecnologías actuales consumen mucha energía y son ineficientes. Los materiales nanoporosos tienen el potencial de separar isótopos de hidrógeno mediante un proceso conocido como tamizado cuántico cinético (KQS), pero los bajos niveles de rendimiento prohíben la ampliación.

En un nuevo estudio publicado en Ciencias , Investigadores de la Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad de Liverpool han creado jaulas orgánicas porosas híbridas capaces de tamizado cuántico de alto rendimiento que podrían ayudar a avanzar en las tecnologías de separación de isótopos de deuterio / hidrógeno necesarias para la energía de fusión.

Deuterio, también llamado hidrógeno pesado, tiene una serie de usos comerciales y científicos, incluida la energía nuclear, Espectroscopia y farmacología de RMN. Estas aplicaciones necesitan deuterio de alta pureza, que es caro debido a su escasa abundancia natural. Enriquecimiento de deuterio a partir de materias primas que contienen hidrógeno, como el agua de mar, es un proceso industrial importante, pero es costoso y consume mucha energía.

Las jaulas orgánicas porosas son un material poroso emergente, reportado por primera vez por el grupo del profesor Andrew Cooper en la Universidad de Liverpool en 2009, que se han utilizado anteriormente para la separación de isómeros de xileno, Gases nobles, y moléculas quirales.

Sin embargo, purificar deuterio a partir de mezclas de gas hidrógeno / deuterio de esta manera es difícil porque ambos isótopos tienen el mismo tamaño y forma en condiciones normales. Al combinar jaulas de poros pequeños y poros grandes juntas en un solo sólido, el grupo ha producido ahora un material con un rendimiento de separación de alta calidad que combina una excelente selectividad deuterio / hidrógeno con una alta absorción de deuterio.

La investigación fue dirigida por el profesor Andrew Cooper FRS, cuyo equipo de la Fábrica de Innovación de Materiales diseñó y sintetizó los nuevos sistemas de jaulas. Un equipo separado dirigido por el Dr. Michael Hirscher en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes probó el rendimiento de la separación utilizando espectroscopía de desorción térmica criogénica.

El profesor Cooper dijo:"La separación de isótopos de hidrógeno son algunas de las separaciones moleculares más difíciles que se conocen en la actualidad. El" Santo Grial "para la separación de hidrógeno / deuterio es introducir precisamente el tamaño de poro correcto para lograr una alta selectividad sin comprometer demasiado la absorción de gas. "

"Nuestro enfoque permite un ajuste extremadamente delicado del tamaño de los poros (toda la ventana de ajuste para esta serie de jaulas abarca el diámetro de un solo átomo de nitrógeno) y esto se adapta idealmente a aplicaciones como KQS".

El autor principal, el Dr. Ming Liu, agregó:"Si bien el enfoque sintético implica una síntesis orgánica de varios pasos, cada paso avanza con un rendimiento cercano al 100% y no hay purificación intermedia, por lo que existe un buen potencial para escalar estos materiales ".

Los estudios estructurales realizados en Diamond Light Source del Reino Unido y Advanced Light Source en California permitieron al equipo de Liverpool desarrollar un sitio selectivo, reacción de estado sólido, lo que permitió ajustar con delicadeza el tamaño de los poros de las jaulas orgánicas porosas. Estos estudios también permitieron al equipo diseñar y comprender la estructura de su material de mejor desempeño, que combinaba jaulas de poros pequeños y poros grandes. El coautor, el Dr. Marc Little, agregó:"Los datos recopilados en estas instalaciones líderes en el mundo respaldaron nuestros hallazgos estructurales clave y fueron una parte integral de este estudio".

La comprensión mecanicista del rendimiento superior de estos materiales fue respaldada por un esfuerzo computacional conjunto, dirigido por el Dr. Linjiang Chen del Centro de Investigación de Leverhulme para el Diseño de Materiales Funcionales en la Fábrica de Innovación de Materiales, también participan grupos teóricos de Xi'an Jiaotong – Universidad de Liverpool (China) y École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza).

Aunque el material informado tiene un excelente rendimiento para separar el deuterio del hidrógeno, la temperatura ideal de funcionamiento es baja (30 K). El grupo ahora está trabajando en el diseño de un nuevo material que pueda separar isótopos de hidrógeno a temperaturas más altas.

El papel, "Jaulas orgánicas apenas porosas para la separación de isótopos de hidrógeno, "se publica en Ciencias .