Une équipe internationale de chercheurs, affilié à UNIST a présenté un nouveau système de séparation des isotopes de l'hydrogène basé sur une structure organique métallique poreuse (MOF). L'isolement du deutérium à partir d'un mélange isotopique physico-chimiquement presque identique a été un défi majeur dans la technologie de séparation moderne. Ce système MOF, pendant ce temps, pourrait efficacement séparer et stocker le deutérium à l'intérieur des pores, présentant la sélectivité la plus élevée de tous les systèmes à ce jour.

Cette percée a été dirigée par le professeur Hoi Ri Moon de l'École des sciences naturelles de l'UNIST, Le professeur Hyunchul Oh de l'Université nationale des sciences et technologies de Gyeongnam (GNTECH) et le Dr Michael Hirscher de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI). En outre, leur travail a fait la couverture du numéro d'octobre 2017 du Journal de l'American Chemical Society ( JACS ).

Dans l'étude, l'équipe de recherche a signalé un système de séparation des isotopes de l'hydrogène très efficace basé sur des structures métallo-organiques (MOF) poreuses grâce à une simple stratégie de post-modification. En outre, ils ont également démontré que le deutérium pouvait être efficacement séparé et stocké à l'intérieur des pores du système MOF-74-IM en mettant en œuvre deux effets de tamisage quantique dans un seul système.

Le deutérium (symbole chimique D ou ²H) est un isotope stable de l'hydrogène dont le noyau contient un neutron et un proton. C'est une matière première irremplaçable, largement utilisé dans les applications de recherche industrielle et scientifique, allant du traçage isotopique à la diffusion de neutrons, ainsi que la fusion nucléaire. En plus d'être naturellement présent en très faible quantité, le deutérium constitue 0,016% de l'hydrogène total présent dans la nature.

Dans la plupart des cas, le degré souhaité de deutérium peut être obtenu en isolant le deutérium du mélange isotopique d'hydrogène. Cependant, parce que les isotopes ont des propriétés physiques et chimiques similaires, le processus de filtrage du deutérium du mélange isotopique naturel d'hydrogène est actuellement à la fois difficile et coûteux. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont conçu une nouvelle structure MOF qui, espèrent-ils, pourrait conduire à un nouvel outil scientifique qui filtrera sélectivement le deutérium, en utilisant ce qu'on appelle "l'effet de tamisage quantique".

"Vous pouvez penser à l'effet de tamisage quantique, comme méthode de séparation du deutérium et de l'hydrogène sur la base de leurs différences quantiques via un tamis quantique, " déclare Jin Yeong Kim dans le programme combiné MS/Ph.D of Natural Science, le premier auteur de l'étude. "C'est comme séparer le riz d'un mélange de riz et de mil, à l'aide d'un tamis, selon leur taille."

Il existe à ce jour deux types d'effets de tamisage quantique pour la séparation du deutérium, tamisage quantique cinétique (KQS) et tamisage quantique par affinité chimique (CAQS). Dans l'étude, Le professeur Moon et son équipe de recherche ont suggéré une nouvelle stratégie consistant à combiner KQS et CAQS dans un seul système pour séparer les mélanges isotopiques, créant ainsi un effet synergique.

Par ailleurs, ce système de matériaux intelligents n'a pu être testé qu'expérimentalement car l'équipe de recherche, dirigé par Michael Hirscher, avaient conçu un appareil dans lequel ils peuvent analyser les quantités stockées de différents gaz isotopiques directement à l'aide d'un spectromètre de masse dans des conditions cryogéniques. Leur système nouvellement développé n'a jamais été proposé, Et ainsi, a attiré beaucoup d'attention en tant que première technologie où les effets KQS et CAQS ont lieu simultanément.

Dans ce but, ils ont choisi le MOF-74-Ni poreux, ayant des enthalpies d'adsorption d'hydrogène élevées dues à de forts sites métalliques ouverts, pour la fonctionnalité CAQS. Simultanément, des molécules d'imidazole (IM) ont été utilisées dans le canal MOF-74-Ni comme barrière de diffusion, réduisant efficacement la taille de l'ouverture et bloquant à plusieurs reprises la diffusion H2, résultant en l'effet KQS. Par conséquent, le deutérium pourrait être diffusé dans le canal à pores contrôlés plus rapidement que l'hydrogène, et préférentiellement lié aux sites de liaison forte des sites métalliques ouverts Ni2+. En conséquence, le facteur de séparation présentait ca. 26 (26 molécules de deutérium séparées pour une molécule d'hydrogène) à 77 K.

"La sélectivité de 26 est de loin supérieure à tous les systèmes précédents avec un maximum de 6 dans des conditions identiques", déclare Hyunchul Oh, l'auteur correspondant de l'article. Il ajoute, " A 77 K, le procédé de séparation peut être exploité avec de l'azote liquide, ce qui la rend plus économique que la méthode de distillation cryogénique opérée avec de l'hélium liquide à près de 20 K, "

"Bien que l'idée de séparer le deutérium à l'aide d'effets de tamisage quantique existe déjà, ce travail n'est pas seulement la première tentative de mise en œuvre de deux effets de tamisage quantique, KQS et CAQS, dans un seul système, mais fournit également une validation expérimentale de l'utilité de ce système pour une utilisation industrielle pratique en isolant le D2 de haute pureté par le biais d'études de séparation sélective directe utilisant des mélanges 1:1 D2/H2 ", déclare le professeur Moon, l'auteur correspondant de l'article. Elle ajoute, "Nous prévoyons que cette stratégie peut offrir de nouvelles opportunités pour la conception intelligente de matériaux poreux conduisant au développement d'autres systèmes de séparation d'isotopes et de gaz hautement efficaces."