Nature：重水和普通水不再難舍難分！

【導讀】

同位素無論是在基礎研究還是工業化應用方面都有重要的作用。化學家試圖利用基于分子化學的簡單方法來分離同位素，例如通過電解使水同位素的鍵解離或使用籠狀化合物或剛性多孔材料等宿主材料來捕獲其中一種同位素。然而，由于同位素分子內結構和分子間相互作用的內在相似性，分離同位素一直是十分困難的。水同位素在生物過程、工業、醫療等方面非常重要，是最難分離的同位素對之一。因為它們的物理化學性質非常相似，導致傳統蒸餾和電解方法分離H₂O（普通水）和D₂O（重水）的存在巨大阻礙。因此，用Geib-Spevack法等基于熱力學平衡下質子交換的方法很難分離水同位素。此外，H₂O和D₂O的動力學直徑非常小，且完全相同，這使得使用多孔基質的吸附分離相當困難。

【成果掠影】

近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室顧成研究員與京都大學SusumuKitagawa教授合作報道了通過構建兩種多孔配位聚合物(PCPs，或金屬-有機框架) 實現在室溫下高效分離水同位素的方法，該框架內的分子翻折運動提供了擴散調節功能。流速由收縮的孔隙上的動態“開關”的局部運動來調節，從而放大了水同位素擴散率的微小差異。兩種PCPs上都發生了顯著的溫度響應吸附：相比于D₂O蒸汽，H₂O蒸汽優先被吸附到PCPs上且吸收量大幅增加，促進了H₂O/HDO/D₂O三元混合物蒸汽的動力學的分離，在室溫下H₂O分離系數高達210左右。相關成果以“Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials”為題發表在國際頂級期刊Nature上。

【核心創新點】

Cu(DBAP)和Cu(IDB)具有分離重水的性能

【數據概覽】

圖1 水同位素動態識別的擴散調節機制. ? 2022 Springer Nature

圖2 擴散調節PCPs的結構描述 ? 2022 Springer Nature

圖3 FDC-1a和FDC-2a水同位素吸附動力學 ? 2022 Springer Nature

圖4 混合蒸汽分離? 2022 Springer Nature

【結論展望】

這項工作證明了室溫下，在兩種PCPs中可以放大水同位素的擴散速率差異，從而實現水同位素的有效區分。溫度遞升脫附（TPD）實驗證明了基于動力學的H₂O/HDO/D₂O三元混合物的蒸汽分離，在298 K時水分離系數高達210左右。這些突出的分辨特征歸因于其潛在的局部動態運動擴散機制，該機制是由超小孔徑和柵極組分的局部動力學共同實現的。這一原理可以更廣泛地適用于各種吸附劑，實現同位素的有效識別。這項工作為分離其他小分子提供新的策略，具有重要意義。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05310-y

本文由張熙熙供稿。