二維原子晶體：新型的高效氫同位素分離濾膜

付磊

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

二維原子晶體：新型的高效氫同位素分離濾膜

付磊

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

氫同位素對于現(xiàn)代分析方法和示蹤技術(shù)非常重要，其重要化合物——重水更是作為減速劑被廣泛用于鈾核裂變中。然而，現(xiàn)有的氫同位素分離技術(shù)，如水-硫化氫交換和低溫蒸餾法，能耗極大，且分離效率很低(分離因子<2.5)1。因此，發(fā)展低能耗、高效的氫同位素分離技術(shù)是一項極具挑戰(zhàn)的工作。近期，單原子層厚度的石墨烯和氮化硼為氫同位素的分離帶來了突破，它們作為僅能通過熱質(zhì)子和電子的單層原子晶體，在分離氫同位素時表現(xiàn)出非凡的亞原子選擇透過性。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Geim教授研究組2以單層石墨烯和氮化硼這樣一個極簡的體系作為濾膜，在室溫下成功分離了氫同位素，且石墨烯濾膜的分離因子高于10。這項研究成果已在最新的Science上發(fā)表。

在該項研究中，他們采用了兩種互補型方法——測量電導(dǎo)率和質(zhì)譜檢測氣流，探索了二維原子晶體對氘核(D+)和氫核(H+)的選擇性。以后一種方法為例，他們通過輸入一系列不同比例的H+、D+混合溶液，發(fā)現(xiàn)氫同位素均能透過石墨烯，但輸出的氫原子分?jǐn)?shù)與輸入的H+是不相稱的(如圖1b所示)，由圖1b計算分離因子約為10，即證實了石墨烯確實能高效地分離氫同位素。這種高選擇性其實是歸因于同位素效應(yīng)，換言之，即二維原子晶體對氫核和氘核的傳輸能壘是不同的。那么能壘差源自何處呢？在該體系中，在透過二維原子晶體前，氫核和氘核會與溶液里的基團及水形成氫鍵3，而對于兩者而言，其氫氧鍵的零點能是不同的，兩者表現(xiàn)出60meV的能壘差。因此，可以推斷如果質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)具有更強的氫鍵，分離因子會更大，則更有利于氫同位素的高效分離。而且值得注意的是，除了剝離法，化學(xué)氣相沉積(CVD)法所制得的石墨烯和氮化硼同樣在篩離氫同位素方面表現(xiàn)出色，他們基于此建立了厘米級尺寸的設(shè)備，并成功從氘和氫混合物中有效地泵出了氫，證明了此技術(shù)的可擴展性。

此項研究表明，石墨烯及氮化硼對氫同位素具有優(yōu)異的選擇性，使得其能夠有效分離氫同位素。基于CVD法制備的大面積石墨烯，用簡單的篩分機制和分離設(shè)備，并結(jié)合具有強的氫鍵的質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)，未來科學(xué)家們有望實現(xiàn)氫同位素的工業(yè)化分離。此外，這種同位素分離法無需添加其它化學(xué)物質(zhì)，能耗顯著低于現(xiàn)有的分離富集過程，從而能有效地緩解能源和環(huán)境壓力，有望在分析和化學(xué)示蹤技術(shù)上發(fā)揮作用，并真正地用于核廢料的處理上，成為新一代超級“過濾器”。

圖1　質(zhì)譜檢測氣流法探測石墨烯對氫同位素的分離效果

References

(1)Miller,A.I.Can.Nucl.Soc.Bull.2001,22(1),1.

(2)Lozada-Hidalgo,M.;Hu,S.;Marshall,O.;Mishchenko,A.; Grigorenko,A.N.;Dry fe,R.A.W.;Radha,B.;Grigorieva,I. V.;Geim,A.K.Science2016,351(6268),68.doi:10.1126/ science.aac9726

(3)Mauritz,K.A.;Moore,R.B.Chem.Rev.2004,104(10),4535. doi:10.1021/cr0207123

10.3866/PKU.WHXB201602171