Las moléculas de la jaula actúan como tamices moleculares para la separación de isótopos de hidrógeno

05.11.2019

University of Liverpool

La formación de un cristal de coco mejora el rendimiento de separación D2/H2.

Un nuevo material híbrido desarrollado por científicos de la Universidad de Liverpool podría acercar un poco más el sueño de una energía de fusión nuclear libre de carbono.

La separación de los tres isótopos del hidrógeno (hidrógeno, deuterio y tritio) es de vital importancia para la tecnología de la energía de fusión, pero las tecnologías actuales son a la vez intensivas en energía e ineficientes. Los materiales nanoporosos tienen el potencial de separar isótopos de hidrógeno mediante un proceso conocido como tamizado cuántico cinético (KQS), pero los bajos niveles de rendimiento actualmente prohíben el escalado.

En un nuevo estudio publicado en Science, los investigadores de la Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad de Liverpool han creado jaulas orgánicas porosas híbridas capaces de realizar un tamizado cuántico de alto rendimiento que podría contribuir al avance de las tecnologías de separación de isótopos de deuterio/hidrógeno necesarias para la energía de fusión.

El deuterio, también llamado hidrógeno pesado, tiene varios usos comerciales y científicos, incluyendo la energía nuclear, la espectroscopia de RMN y la farmacología. Estas aplicaciones necesitan deuterio de alta pureza, que es costoso debido a su baja abundancia natural. El enriquecimiento de deuterio a partir de materias primas que contienen hidrógeno, como el agua de mar, es un proceso industrial importante, pero es costoso y requiere mucha energía.

Las jaulas orgánicas porosas son un material poroso emergente, reportado por primera vez por el grupo del profesor Andrew Cooper en la Universidad de Liverpool en 2009, que se han utilizado previamente para la separación de isómeros de xileno, gases nobles y moléculas quirales.

Sin embargo, purificar deuterio a partir de mezclas de hidrógeno/gases de deuterio de esta manera es difícil porque ambos isótopos tienen el mismo tamaño y forma en condiciones normales. Combinando jaulas de poro pequeño y de poro grande en un solo sólido, el grupo ha producido un material con un rendimiento de separación de alta calidad que combina una excelente selectividad de deuterio/hidrógeno con una elevada absorción de deuterio.

La investigación fue dirigida por el profesor Andrew Cooper FRS, cuyo equipo de la Fábrica de Innovación de Materiales diseñó y sintetizó los nuevos sistemas de jaulas. Un equipo separado dirigido por el Dr. Michael Hirscher en el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes probó el rendimiento de la separación utilizando espectroscopia de desorción térmica criogénica.

El profesor Cooper dijo: "La separación de isótopos de hidrógeno es una de las separaciones moleculares más difíciles que se conocen hoy en día. El'Santo Grial' para la separación de hidrógeno / deuterio es introducir precisamente el tamaño de poro correcto para lograr una alta selectividad sin comprometer demasiado la absorción de gas".

"Nuestro enfoque permite un ajuste extremadamente delicado del tamaño de los poros - la ventana de ajuste completa para esta serie de jaulas abarca el diámetro de un solo átomo de nitrógeno - y esto es ideal para aplicaciones como el KQS".

El autor principal, el Dr. Ming Liu, añadió: "Aunque el enfoque sintético implica la síntesis orgánica de varios pasos, cada paso se realiza con un rendimiento cercano al 100% y no hay purificación intermedia, por lo que existe un buen potencial para ampliar estos materiales".

Los estudios estructurales realizados en la Fuente de Luz Diamante del Reino Unido y en la Fuente de Luz Avanzada en California, permitieron al equipo de Liverpool desarrollar una reacción de estado sólido selectiva en el sitio, lo que permitió que el tamaño de los poros de las jaulas orgánicas porosas se ajustara con delicadeza. Estos estudios también permitieron al equipo diseñar y comprender la estructura de su material de mejor rendimiento, que combinaba jaulas de poro pequeño y jaulas de poro grande. El Dr. Marc Little, coautor del estudio, agregó:"Los datos recopilados en estas instalaciones líderes en el mundo respaldaron nuestros hallazgos estructurales clave y fueron parte integral de este estudio".

La comprensión mecanicista del rendimiento superior de estos materiales fue apoyada por un esfuerzo computacional conjunto, liderado por el Dr. Linjiang Chen del Centro de Investigación Leverhulme para el Diseño de Materiales Funcionales en la Fábrica de Innovación de Materiales, en el que también participaron grupos teóricos de la Universidad Xi'an JiaoTong-Liverpool (China) y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza).

Aunque el material reportado tiene un excelente desempeño para separar el deuterio del hidrógeno, la temperatura ideal de operación es baja (30 K). El grupo está trabajando ahora en el diseño de un nuevo material que puede separar isótopos de hidrógeno a temperaturas más altas.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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