Un team internazionale di ricercatori, affiliato con l'UNIST ha presentato un nuovo sistema di separazione degli isotopi di idrogeno basato su una struttura metallica organica porosa (MOF). L'isolamento del deuterio da una miscela isotopica fisico-chimica quasi identica è stata una sfida fondamentale nella moderna tecnologia di separazione. Questo sistema MOF, nel frattempo, potrebbe separare e immagazzinare efficacemente il deuterio all'interno dei pori, esibendo la più alta selettività di qualsiasi sistema fino ad oggi.

Questa svolta è stata guidata dal professor Hoi Ri Moon della School of Natural Science dell'UNIST, Il professor Hyunchul Oh della Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH) e il dott. Michael Hirscher del Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI). Inoltre, il loro lavoro è stato presentato sulla copertina del numero di ottobre 2017 di Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ).

Nello studio, il team di ricerca ha segnalato un sistema di separazione degli isotopi dell'idrogeno altamente efficace basato su strutture metallo-organiche porose (MOF) attraverso una semplice strategia di post-modifica. Inoltre, hanno anche dimostrato che il deuterio potrebbe essere separato e immagazzinato in modo efficiente all'interno dei pori del sistema MOF-74-IM implementando due effetti di setacciatura quantistica in un unico sistema.

Il deuterio (simbolo chimico D o ²H) è un isotopo stabile dell'idrogeno con un nucleo contenente un neutrone e un protone. È una materia prima insostituibile, ampiamente impiegato in applicazioni di ricerca industriale e scientifica, che vanno dal tracciamento isotopico allo scattering di neutroni, così come la fusione nucleare. Oltre ad essere naturalmente presente in piccolissime quantità, il deuterio costituisce lo 0,016% dell'idrogeno totale presente in natura.

Nella maggior parte dei casi, il grado di deuterio desiderato può essere ottenuto isolando il deuterio dalla miscela isotopica di idrogeno. Però, perché gli isotopi hanno proprietà fisiche e chimiche simili, il processo di filtraggio del deuterio dalla miscela isotopica naturale dell'idrogeno è attualmente difficile e costoso. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno progettato una nuova struttura MOF che sperano possa portare a un nuovo strumento scientifico che filtrerà selettivamente il deuterio, utilizzando il cosiddetto "effetto di setacciatura quantistica".

"Potresti pensare all'effetto di setacciatura quantistica, come metodo per separare il deuterio e l'idrogeno l'uno dall'altro in base alle loro differenze quantistiche tramite un setaccio quantistico, " dice Jin Yeong Kim nel Combined M.S/Ph.D di Scienze Naturali, il primo autore dello studio. "È come separare il riso da una miscela di riso con miglio, usando un setaccio, in base alle loro dimensioni".

Ci sono due tipi di effetti di setacciatura quantistica per la separazione del deuterio fino ad oggi, setacciatura quantistica cinetica (KQS) e setacciatura quantistica di affinità chimica (CAQS). Nello studio, La professoressa Moon e il suo gruppo di ricerca hanno suggerito una nuova strategia per combinare KQS e CAQS in un unico sistema per separare le miscele isotopiche, creando così un effetto sinergico.

Per di più, questo sistema di materiali intelligenti può essere testato solo sperimentalmente perché il team di ricerca, guidato da Michael Hirscher, avevano progettato un apparato in cui possono analizzare le quantità immagazzinate di diversi gas isotopi direttamente con l'ausilio di uno spettrometro di massa in condizioni criogeniche. Il loro sistema di nuova concezione non è mai stato proposto, e quindi, ha attirato molta attenzione come la prima tecnologia in cui entrambi gli effetti KQS e CAQS avvengono contemporaneamente.

Per quello scopo, hanno scelto il poroso MOF-74-Ni, avendo entalpie di adsorbimento di idrogeno elevate a causa di forti siti metallici aperti, per la funzionalità CAQS. Contemporaneamente, molecole di imidazolo (IM) sono state impiegate nel canale MOF-74-Ni come barriera alla diffusione, riducendo efficacemente la dimensione dell'apertura e bloccando ripetutamente la diffusione di H2, con conseguente effetto KQS. Perciò, il deuterio potrebbe diffondersi nel canale dei pori controllati più velocemente dell'idrogeno, e legato preferenzialmente ai siti di legame forte dei siti metallici aperti Ni2+. Di conseguenza, il fattore di separazione ha mostrato ca. 26 (26 molecole di deuterio separate per una molecola di idrogeno) a 77 K.

"La selettività di 26 è di gran lunga superiore a qualsiasi sistema precedente con un massimo di 6 nelle stesse condizioni", afferma Hyunchul Oh, il corrispondente autore dell'articolo. Aggiunge, "A 77 K, il processo di separazione può essere sfruttato con azoto liquido, che lo rende più conveniente rispetto al metodo di distillazione criogenica operato con elio liquido a circa 20 K, "

"Sebbene esista già l'idea di separare il deuterio usando effetti di setacciatura quantistica, questo lavoro non è solo il primo tentativo di implementare due effetti di setacciatura quantistica, KQS e CAQS, in un sistema, ma fornisce anche la convalida sperimentale dell'utilità di questo sistema per l'uso industriale pratico isolando il D2 di elevata purezza attraverso studi di separazione selettiva diretta utilizzando miscele 1:1 D2/H2", afferma il professor Moon, il corrispondente autore dell'articolo. lei aggiunge, "Prevediamo che questa strategia possa fornire nuove opportunità per la progettazione intelligente di materiali porosi, portando allo sviluppo di altri sistemi di separazione di gas e isotopi altamente efficienti".