05.11.2019 - University of Liverpool

Käfigmoleküle fungieren als Molekularsiebe für die Wasserstoffisotopentrennung

Ein neues Hybridmaterial, das von Wissenschaftlern der University of Liverpool entwickelt wurde, könnte den Traum von der kohlenstofffreien Kernfusionskraft einen Schritt näher bringen.

Die Trennung der drei Isotope des Wasserstoffs (Wasserstoff, Deuterium und Tritium) ist für die Fusionskrafttechnologie von zentraler Bedeutung, aber die derzeitigen Technologien sind sowohl energieintensiv als auch ineffizient. Nanoporöse Materialien haben das Potenzial, Wasserstoffisotope durch einen Prozess zu trennen, der als kinetisches Quantensieben (KQS) bekannt ist, aber schlechte Leistungswerte verhindern derzeit ein Scale-up.

In einer neuen, in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie haben Forscher der Materials Innovation Factory der University of Liverpool hybride poröse organische Käfige entwickelt, die in der Lage sind, Hochleistungsquantensiebung durchzuführen, um die für die Fusionskraft erforderlichen Deuterium-Wasserstoff-Isotopentrennungstechnologien voranzutreiben.

Deuterium, auch schwerer Wasserstoff genannt, hat eine Reihe kommerzieller und wissenschaftlicher Anwendungen, darunter Kernkraft, NMR-Spektroskopie und Pharmakologie. Diese Anwendungen benötigen hochreines Deuterium, das wegen seines geringen natürlichen Reichtums teuer ist. Die Deuteriumanreicherung aus wasserstoffhaltigen Rohstoffen, wie beispielsweise Meerwasser, ist ein wichtiger industrieller Prozess, aber kostspielig und energieintensiv.

Poröse organische Käfige sind ein aufkommendes poröses Material, das erstmals 2009 von der Gruppe von Professor Andrew Cooper an der University of Liverpool berichtet wurde, die zuvor für die Trennung von Xylolisomeren, Edelgasen und chiralen Molekülen verwendet wurden.

Die Reinigung von Deuterium aus Wasserstoff/Deuterium-Gasgemischen ist jedoch schwierig, da beide Isotope unter normalen Bedingungen die gleiche Größe und Form aufweisen. Durch die Kombination von klein- und großporigen Käfigen in einem einzigen Feststoff hat die Gruppe nun ein Material mit hochwertiger Trennleistung entwickelt, das eine ausgezeichnete Deuterium/Wasserstoff-Selektivität mit einer hohen Deuteriumaufnahme kombiniert.

Die Forschung wurde von Professor Andrew Cooper FRS geleitet, dessen Team von der Materials Innovation Factory die neuen Käfigsysteme entwarf und synthetisierte. Ein eigenes Team unter der Leitung von Dr. Michael Hirscher am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme testete die Trennleistung mittels kryogener Thermodesorptionsspektroskopie.

sagte Professor Cooper: "Die Trennung von Wasserstoffisotopen ist eine der härtesten molekularen Trennungen, die heute bekannt sind. Der "Heilige Gral" für die Wasserstoff-Deuterium-Trennung soll genau die richtige Porengröße einbringen, um eine hohe Selektivität zu erreichen, ohne die Gasaufnahme zu stark zu beeinträchtigen."

"Unser Ansatz ermöglicht eine extrem feinfühlige Abstimmung der Porengröße - das gesamte Abstimmfenster für diese Käfigreihe umfasst den Durchmesser eines einzelnen Stickstoffatoms - und das eignet sich ideal für Anwendungen wie KQS."

Hauptautor Dr. Ming Liu fügte hinzu: "Während der synthetische Ansatz die mehrstufige organische Synthese beinhaltet, verläuft jeder Schritt in einer nahezu 100%igen Ausbeute und es gibt keine Zwischenreinigung, so dass es ein gutes Potenzial gibt, diese Materialien zu vergrößern".

Strukturstudien, die an der britischen Diamond Light Source und der Advanced Light Source in Kalifornien durchgeführt wurden, ermöglichten es dem Liverpool-Team, eine ortsselektive Festkörperreaktion zu entwickeln, mit der die Porengröße der porösen organischen Käfige fein abgestimmt werden konnte. Diese Studien ermöglichten es dem Team auch, die Struktur ihres leistungsstärksten Materials zu entwerfen und zu verstehen, das klein- und großporige Käfige kombinierte. Co-Autor Dr. Marc Little fügte hinzu: "Die an diesen weltweit führenden Standorten gesammelten Daten untermauern unsere wichtigsten strukturellen Erkenntnisse und waren ein integraler Bestandteil dieser Studie".

Das mechanistische Verständnis der überlegenen Leistung dieser Materialien wurde durch eine gemeinsame Rechenarbeit unter der Leitung von Dr. Linjiang Chen vom Leverhulme Research Centre for Functional Materials Design in the Materials Innovation Factory unterstützt, an der auch theoretische Gruppen der Xi'an JiaoTong-Liverpool University (China) und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz) beteiligt waren.

Obwohl das berichtete Material eine ausgezeichnete Leistung bei der Trennung von Deuterium und Wasserstoff aufweist, ist die ideale Betriebstemperatur niedrig (30 K). Die Gruppe arbeitet nun an der Entwicklung eines neuen Materials, das Wasserstoffisotope bei höheren Temperaturen trennen kann.

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