突破零下162度“温度屏障”！UNIST开发核聚变燃料高温分离新材料
UNIST-亥姆霍兹研究所-崇实大学开发零下153℃重氢分离MOF
低于天然气液化零下162℃ 可利用LNG设施 已发表于《Nature Communications》
在零下153℃条件下可用于分离氘的材料已经被开发出来。
这一温度比被视为商用化分水岭的天然气液化温度——“零下162℃”高出10℃以上。由此打开了利用现有液化天然气（LNG）生产管线，经济性生产氘的新途径。
UNIST化学系Oh Hyuncheol教授团队与德国亥姆霍兹研究所、崇实大学Kim Jaheon教授团队联合研究，并于20日表示，他们开发出了一种能够在零下153℃条件下分离氘和氢的多孔材料。
研究团队。（自左下角起逆时针方向）Professor Oh Hyeoncheol、研究员 Park Jaewoo（共同第一作者）、博士 Jeong Minji（共同第一作者）、研究员 Lee Jeongwon、研究员 Park Taeung、研究员 Jeong Seongyeop。UNIST提供
View original image氘是下一代核聚变发电的原料，近期在半导体工艺等领域的需求也急剧增加，但其生产过程复杂且成本高昂。这是因为氘与普通氢在物理、化学性质上极为相似，目前只能通过零下253℃的超低温精馏工艺进行分离。近年来，利用被称为金属有机骨架（Metal-Organic Framework, MOF）的多孔材料孔道来分离氘的研究正在推进，但这类材料在温度升高时分离性能会明显下降，存在局限。
此次开发的铜基MOF与一般MOF不同，即使在零下153℃也能保持对氘的分离性能。普通MOF在约零下250℃时工作良好，但当温度升至约零下193℃时，性能会急剧下降。
研究团队首次揭示，这种材料性能的原因在于温度升高导致骨架晶格发生膨胀。该MOF的孔道在超低温状态下小于氢分子尺寸，气体无法通过；但随着温度升高，骨架晶格张开，孔径随之增大。
孔径增大后，气体开始通过孔道，并通过量子筛分效应实现氢与氘的分离。量子筛分（Quantum Sieving）效应是指在低温条件下，较重的原子或分子更快通过孔道的现象。
通过实时X射线衍射实验和中子散射实验，研究团队确认了随着温度上升，骨架确实发生了膨胀；同时，通过逐步升温开展的程序升温脱附分析表明，在较高温度下仍能稳定地分离出氘。
Oh Hyuncheol教授表示：“本次开发的材料与传统超低温精馏法相比，在大幅降低能耗的同时仍具备较高的分离效率。其工作温度高于天然气冷凝温度，可直接与现有液化天然气（LNG）生产设施耦合使用，因此在产业应用方面具有巨大的影响力。”
本研究由德国亥姆霍兹研究所柏林能源材料研究中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）的Margarita Russina博士担任共同通讯作者，UNIST的Jeong Minji、Park Jaewoo研究员作为共同第一作者参与。
研究成果已于2月27日发表于具有世界权威性的国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
本研究由科学技术信息通信部资助的中坚研究项目和海外大型研究设施利用研究支援项目予以支持完成。
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