面向H2/D2同位素分离的有序纳孔材料研究

Deuterium and tritium are indispensable for many applications like nuclear power production, neutron scattering experiments and isotope tracing. Hydrogen isotope separation is one of the key technologies of fusion fuel cycle, so hydrogen isotope separation is a scientific problem which must be solved in the future energy field. Due to the similarity of physico-chemical properties, hydrogen isotopes are difficult to be separated by classic molecular sieves, but may be separated by “quantum sieves”. The ordered nanoporous materials, including MOFs and COFs, can be rationally designed. Hence, the separation of hydrogen isotope by quantum sieving in MOFs with accurately tuned pore size may be considered as a potential method. The proposal is strongly committed to the development of ordered nanoporous material with a high H2/D2 separation factor to achieve efficient and inexpensive separation of H2/D2. Our innovation is to use the synergistic effect of the quantum sieve's kinetic properties and the thermodynamic properties of the adsorption sites to enhance H2/D2 separation. The proposal is expected to screen out 1 ~ 2 kinds of ordered nanoporous material with high H2/D2 separation factor, publish 8 ~ 12 papers indexed by SCI, and train 6 to 8 graduate students. The development of this project will establish the theoretical and experimental foundation for the practical application of ordered nanoporous materials in H2/D2 separation.

氘和氚属于重要的国防战略资源，氢同位素分离是核聚变反应堆燃料循环的关键技术之一，氢同位素分离是未来能源领域必须要解决的科学问题。由于物理化学性能的相似性，现有的分子筛很难分离氢同位素，而量子筛则可利用同位素量子态的微小差别将其分离。包括MOFs和COFs在内的有序纳孔材料的可设计性，使其可以完美地调节孔尺寸从而产生量子筛效应，同时各种吸附位点也能调节分子的亲和力，这为利用有序纳孔材料进行氢同位素分离提供了可能性。本项目计划发展具有高H2/D2分离系数的有序纳孔材料，实现H2/D2的高效、廉价分离。我们的创新之处在于利用了量子筛的动力学特性与吸附位点的热力学特性的协同作用来加强H2/D2分离能力。本项目预计将筛选出1-2种具有高的H2/D2分离系数的有序纳孔材料，发表SCI收录论文8~12篇，培养6~8名研究生。本项目的开展将为有序纳孔材料在H2/D2分离中的实际应用奠定理论与实验基础。

氘作为氢的稳定同位素，是核聚变反应堆的主要燃料之一，也是重要的工业原料。然而，氘在海洋中的天然丰度仅为156.25 ppm，而且其分子形状和尺寸、热力学性质等都与氢非常相似。因此，从氢同位素混合物中分离、纯化和浓缩氘气分子一直是相关领域的重要研究方向。本项目以MOFs为吸附剂，通过自主设计搭建的低温气体穿透装置探究了MOFs材料在高通量动态条件下的氢同位素分离性能。我们的研究结果为开发基于物理吸附的能耗低、投资少且工艺简单的选择性捕获氘气技术提供了实验依据。我们设计合成了一系列的MOFs材料，分别考察了MOFs结构中的活性作用位点、孔径及骨架柔性对D2/H2分离性能的影响，得出以下结论：1) 较小的孔径和强作用位点协同有助于实现氘气的高选择性吸附；2) 在MOFs框架结构相同时，D2/H2气体穿透性能由材料的平衡吸附容量、开放金属位点密度以及吸附位点强度共同决定，通过强化吸附中心以及增加开放金属位点可以实现较高温度下氢同位素的有效分离；3) 在MOFs孔道结构相同时，基于化学亲和量子筛效应的氢同位素分离，孔径不再是制约分离效果的关键因素，利用具有较大孔径的MOFs材料也可以通过强吸附位点来实现氢同位素的有效分离；4) 当MOFs框架具有柔性时，由于刚性微孔框架的微小孔径使气体分子在扩散过程中存在较大的能量障碍，从而使吸附难以达到平衡而出现滞留现象，导致柔性框架表现出比刚性微孔框架更优异的氢同位素分离性能。总之，在此项目基金的支持下，我们依据本项目的研究任务书，经过4年的努力，基本完成了项目预先设定的研究目标，得到了一些非常有意义的结论。目前本项目已经顺利完成，共发表基金标注的SCI论文29篇，并受邀在英国皇家化学会的Dalton Transactions杂志上撰写了关于氢同位素气体分离的综述文章。