Дейтерий, стабильный изотоп водорода, играет решающую роль в повышении долговечности и светоотдачи полупроводников и устройств отображения, а также служит термоядерным топливом при производстве энергии. Однако растущий спрос на D2 создает проблемы при его производстве, в первую очередь из-за необходимости отделения от водорода с помощью процесса криогенной дистилляции, проводимого при температурах до 20 К (-253°C). Хотя в ходе исследований изучалось использование металлоорганических каркасов (MOF) для разделения D2, их эффективность значительно снижается при повышенных температурах.

В этом исследовании исследовательская группа представила цеолитовый имидазолатный каркас на основе меди (Cu-ZIF-gis), который демонстрирует исключительные характеристики разделения D2 даже при 120 К (-153 ℃). В то время как типичные MOF эффективно работают при температуре около 23 К (-250 ℃), их производительность резко снижается, когда температура приближается к 77 К (-196 ℃). Однако недавно разработанный MOF на основе меди демонстрирует значительное преимущество в сохранении своей эффективности при более высоких температурах.

Впервые исследовательская группа установила, что превосходные эксплуатационные характеристики этого материала обусловлены увеличенным расширением его кристаллической решетки при повышении температуры. При криогенных температурах поры разработанного MOF меньше, чем молекулы H2, что препятствует их прохождению. Однако с повышением температуры решетка расширяется, что приводит к увеличению размера пор. Это расширение облегчает прохождение газов через поры, тем самым обеспечивая разделение H2 и D2 с помощью эффекта квантового просеивания, при котором более тяжелые молекулы проходят через поры более эффективно при более низких температурах.

Подтверждающие эксперименты по дифракции рентгеновских лучей на месте (XRD) и квазиупругому рассеянию нейтронов (QENS), проведенные в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция, совместной группой из UNIST, HZB и MLZ, подтвердили расширение каркаса решетки с повышением температуры, а также а также разница в коэффициенте диффузии изотопов даже при повышенных температурах. Кроме того, анализ, проведенный в экспериментах по термодесорбционной спектроскопии (TDS), показал стабильное отделение D2 при повышенных температурах.

Профессор О отметил: "Описанный материал демонстрирует заметно более низкое энергопотребление и повышенную эффективность разделения по сравнению с большинством традиционных методов, которые работают при экстремально низких температурах". Доктор Джитае Парк далее отметил: "Эти результаты могут быть применены для разработки устойчивых технологий разделения изотопов с использованием существующей криогенной инфраструктуры СПГ, подчеркивая его потенциальное промышленное воздействие".."

Доктор Маргарита Руссина подчеркнула решающую роль QENS в этом исследовании, заявив: "С помощью QENS мы можем напрямую исследовать молекулярное движение H2 и D2 в MOF, получая ключевую информацию об их диффузионном поведении и взаимодействиях с пористыми материалами. Наблюдаемое более сильное удержание D2 по сравнению с h₂, явление строго наноразмерного масштаба, приводит к замечательным эффектам на макроскопические свойства, формируя основу для разработки нового поколения материалов для более эффективного разделения изотопов".

Исследовательскую группу совместно возглавляли профессор Хюнчул О с химического факультета UNIST, профессор Джахон Ким из Университета Сунсиль, доктор Джитае Парк из Центра Хайнца Майера Лейбница (MLZ) Мюнхенского технического университета (TUM) и доктор Маргарита Руссина из Берлинского центра материалов и энергии им. Гельмгольца (HZB) в Берлине, Германия, объявили об этом усовершенствовании 19 марта 2025 года. В исследовании также участвовали Минджи Юнг, Джейву Парк и Раиш Мухаммад с химического факультета UNIST, которые выступили в качестве соавторов. Результаты этого исследования были опубликованы в Nature Communications 27 февраля 2025 года. Это исследование было поддержано Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF) и Министерством науки и ИКТ (MSIT), а также Институтом Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция, для распределения времени луча.