科学家揭示Cu（I）结构对氢同位素分离量子筛的影响

由中国科学院合肥物理科学研究院陈长伦教授领导的研究团队研究了Cu(I)Cu(II)-BTC((BTC=苯-1，3，5-三羧酸酯)，一种氢同位素分离材料，并证明了其在无需复杂结构设计的情况下调整量子筛的关键作用，为高效同位素系统的智能设计提供了新的策略。

研究结果发表在ACSAppliedMaterials&Interfaces上。

高纯氘(D2)是一种重要的工业和科学气体，已被广泛用作不可替代的原料、中子慢化剂、同位素示踪剂等领域。尽管对它的需求巨大，但天然氘的摩尔分数仅占海洋中天然氢的0.0156%。此外，D2及其同位素(H2或T2)分子具有几乎相同的经典维度，具有非常相似的物理化学性质，高纯度氢同位素混合物的分离被认为是现代分离技术中最大的困难和挑战之一。

本研究采用对苯二酚存在还原HKUST-1晶体构建Cu(I)Cu(II)-BTC，具有双微孔径分布和铜金属混合价，并选取用于研究H2/D2详细分离。

研究表明，Cu(I)Cu(II)-BTC独特的Cu(I)和Cu(II)协调网络可以显著促进D2/H2同位素分离。密度泛函理论计算表明，在骨架中引入Cu(I)大环减小了孔径，进一步导致H2/D2Cu(II)位点上的分子。Cu(I)Cu(II)-BTC在30K下的选择性显著增强，主要归因于动力学量子筛和化学亲和量子筛(CAQS)的协同效应。

此外，Cu(I)Cu(II)-BTC中O-Cu(I)-O构型的大角度为156°，由于dz2轨道和Cu(I)的小正不能有效参与氢相互作用，表现出较弱的氢吸附结合强度，并且在液氮温度以上时没有表现出较强的CAQS效应。

本研究验证了Cu(I)结构在D中的影响2/H2分离。“我们相信这项研究将为在高效同位素和气体分离系统中合理设计具有开放金属位点的多孔材料提供新的策略，”该研究的第一作者胡晓宇说。