Nový materiál pro ekonomickou separaci vodíku a deuteria

Korejským vědcům se podařilo připravit nový porézní materiál (MOF), který dokáže separovat izotopy za vodíku za vysoké teploty.

Vodík je nejjednodušší prvek periodické soustavy, na Zemi se vyskytuje ve formě tří izotopů, z nichž dva jsou stabilní. Izotop ¹H (protium) má v jádře pouze jeden proton, tvoří většinu přírodního vodíku (99,98 %). ²H (deuterium) má kromě protonu i jeden neutron, v přírodě se vyskytuje jen velmi vzácně (0,02 %). Radioaktivní izotop ³H (tricium) má neutrony dva, jeho koncentrace v přírodě je jen stopová. V atmosféře vzniká vlivem kosmického záření, nejčastěji vysokoenergetických protonů, dalším zdrojem jsou jaderné elektrárny a také jaderné exploze.

Izotop – konkrétní nuklid jednoho chemického prvku. Jádra izotopů jednoho prvku mají stejný počet protonů, ale liší se počtem neutronů. Klasickým příkladem jsou izotopy vodíku: protium, deuterium a tritium.
LNG – zkapalněný zemní plyn (Liquid Natural Gas). Zemní plyn se zkapalňuje pro usnadnění přepravy a skladování, jeho teplota varu za atmosférického tlaku je -162 °C.
MOF – kovovo-organická síť (Metal–Organic Framework), relativně nová skupina porézních materiálů. Jsou tvořeny kovovými centry, které jsou propojené organickými linkery.

Deuterium se využívá v NMR spektroskopii, kde jsou deuterovaná rozpouštědla nezbytná pro měření, ale i v chemii a biochemii pro studium mechanismů reakcí a dalších aplikacích. Jejich separace se standardně provádí za velmi nízkých (kryogenních) teplot (kolem 20 K, -253 °C), což tento proces velmi prodražuje. Nově publikovaný materiál dokáže izotopy separovat při teplotě 120 K, tzn. -153 °C.

MOF byl připraven reakcí dusičnanu měďnatého (Cu(NO₃)₂) s 2-nitroimidazolem v dimethylformamidu (DMF).

Připravený MOF (Cu-ZIF-gis) je tvořen tetraedrickými měděnými centry propojenými 2-nitroimidazolovými linkery. Jeho porézní struktura je tvořena válcovitými kanálky o průměru 0,233 až 0,244 nm. Tento MOF je velmi stabilní na vzduchu, degradace nebyla pozorována ani po třech letech.

Při studiu sorpce vodíku byl zjištěn velký rozdíl v sorpci vodíku a deuteria, separace probíhá i za teploty 150 K, ale nejvýhodnější je při teplotě 120 K. To je velmi důležité a výhodné i z toho důvodu, že lze využít již existující technologii pro zpracování LNG (zkapalněného zemního plynu).

Mechanismus sorpce byl studován také pomocí práškové RTG difrakce (PXRD) a rozptylu neutronů (QENS).

Nový materiál se zdá být velmi perspektivním pro separaci izotopů vodíku, viz vyjádření autorů:

• Prof. Hyunchul Oh: „Uvedený materiál vykazuje výrazně nižší spotřebu energie a vyšší separační účinnost ve srovnání s většinou tradičních metod, které pracují při extrémně nízkých teplotách.“
• Dr. Jitae T. Park: „Naše zjištění lze použít k vývoji udržitelných technologií separace izotopů s využitím stávající kryogenní infrastruktury LNG, což je velmi důležité pro potenciální průmyslový dopad.“

Odkazy

1. Lattice-driven gating in a Cu-based zeolitic imidazolate framework for efficient high-temperature hydrogen isotope separation
2. New material for efficient separation of Deuterium at elevated Temperatures
3. Porous zeolitic imidazolate frameworks assembled with highly-flattened tetrahedral copper(II) centers and 2-nitroimidazolates