Un nouveau matériau hybride développé par des scientifiques de l'Université de Liverpool pourrait rapprocher le rêve d'une puissance de fusion nucléaire sans carbone.

La séparation des trois isotopes de l'hydrogène (hydrogène, deutérium, et tritium) est d'une importance capitale pour la technologie de l'énergie de fusion, mais les technologies actuelles sont à la fois énergivores et inefficaces. Les matériaux nanoporeux ont le potentiel de séparer les isotopes de l'hydrogène par un processus connu sous le nom de tamisage quantique cinétique (KQS), mais les faibles niveaux de performance interdisent actuellement la mise à l'échelle.

Dans une nouvelle étude publiée dans Science , Des chercheurs de la Materials Innovation Factory de l'Université de Liverpool ont créé des cages organiques poreuses hybrides capables de tamisage quantique hautes performances qui pourraient aider à faire progresser les technologies de séparation isotopique deutérium/hydrogène nécessaires à l'énergie de fusion.

Deutérium, aussi appelé hydrogène lourd, a un certain nombre d'utilisations commerciales et scientifiques, y compris l'énergie nucléaire, Spectroscopie RMN et pharmacologie. Ces applications nécessitent du deutérium de haute pureté, ce qui est cher en raison de sa faible abondance naturelle. Enrichissement en deutérium à partir de charges contenant de l'hydrogène, comme l'eau de mer, est un processus industriel important, mais c'est coûteux et énergivore.

Les cages organiques poreuses sont un matériau poreux émergent, rapporté pour la première fois par le groupe du professeur Andrew Cooper à l'Université de Liverpool en 2009, qui ont été utilisées précédemment pour la séparation des isomères du xylène, gaz nobles, et les molécules chirales.

Cependant, purifier le deutérium à partir de mélanges gazeux hydrogène/deutérium de cette manière est difficile car les deux isotopes ont la même taille et la même forme dans des conditions normales. En combinant des cages à petits pores et à gros pores dans un même solide, le groupe a désormais produit un matériau aux performances de séparation de haute qualité qui combine une excellente sélectivité deutérium/hydrogène avec une forte absorption de deutérium.

La recherche a été dirigée par le professeur Andrew Cooper FRS, dont l'équipe de la Materials Innovation Factory a conçu et synthétisé les nouveaux systèmes de cages. Une équipe distincte dirigée par le Dr Michael Hirscher de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents a testé les performances de séparation à l'aide de la spectroscopie de désorption thermique cryogénique.

Le professeur Cooper a déclaré :« La séparation des isotopes de l'hydrogène fait partie des séparations moléculaires les plus difficiles connues à ce jour. Le « Saint Graal » pour la séparation hydrogène/deutérium consiste à introduire précisément la bonne taille de pores pour atteindre une sélectivité élevée sans trop compromettre l'absorption de gaz. "

"Notre approche permet un réglage extrêmement délicat de la taille des pores - toute la fenêtre d'accord pour cette série de cages s'étend sur le diamètre d'un seul atome d'azote - et cela convient idéalement à des applications telles que KQS."