01
研究背景
氘 (²H，D) 作为氢 (¹H，H) 的一种稳定同位素，因其在军事、核能与聚变研究领域的重要作用而备受关注。然而，氘在自然界中的丰度极低，仅占约0.0156%，并且与氢的其他同位素在物理和化学性质上极为相似，这给氘的分离和富集带来了巨大的挑战。传统的氢同位素分离方法，如低温精馏法和 Girdler-Sulfide 法，存在能耗高、分离效率低等不足之处。因此，如何提高氢同位素的分离效率并降低能耗，已成为当前亟需解决的问题。近年来，量子筛选技术在氢同位素分离领域展现出了巨大的发展潜力和广阔的应用前景。与动力学量子筛分受限于较低的操作温度及有限的气体吸附容量不同，化学亲和量子筛分则通过在强吸附位点上优先吸附较重的同位素，从而在较高温度下实现对氢同位素气体的有效分离。
02
研究内容
近日，中国科学院福建物质结构研究所袁大强团队研究了 UiO-66 及其衍生物 (UiO-66-NH₂、UiO-66-NO₂、UiO-66-CH₃ 和 UiO-66-Ph) 在氘气和氢气吸附及分离性能方面的表现。研究发现，当在 UiO-66 中引入不同的官能团后，这些材料的比表面积均有所减少。具体来说，UiO-66 的 BET 比表面积为 1250 m²/g，而其衍生物的比表面积分别为 985 m²/g(UiO-66-NO₂)、1036 m²/g(UiO-66-NH₂)、960 m²/g(UiO-66-CH₃) 和 902 m²/g(UiO-66-Ph)。氢气和氘气吸附等温线显示，在低压条件下，UiO-66-NH₂、UiO-66-NO₂ 和 UiO-66-CH₃ 的氢同位素气体吸附能力优于 UiO-66。这些实验结果表明，引入合适的官能团可以增强材料与氢同位素气体的相互作用。
图1 不同温度下UiO-66及其衍生物的吸附等温线 (a) 77 K H2; (b) 77 K D2; (c) 87 K H2 和 (d) 87 K D2。插图：77 K 温度条件下，H2 和 D2 的吸附等温线在低压区局部放大图。
吸附焓 (Qst) 计算结果进一步证明了官能团的引入增强了材料与氢同位素气体的相互作用。UiO-66-NH2 (9.3 kJ mol-1)、UiO-66-NO2 (8.9 kJ mol-1) 和 UiO-66-CH3(9.0 kJ mol-1)三种材料的 D2 吸附焓值高于UiO-66 (8.7 kJ mol-1)。其中，UiO-66-NH2 具有最高的 D2 吸附焓，主要归因于其较小的孔径和较大的孔道极性。此外，UiO-66-NH2 中 D2 和 H2 之间吸附焓差异较大 (ΔQst=0.6 kJ mol-1)，促使我们进一步研究了材料的氢同位素分离性能。77K 温度下的动态穿透实验表明，官能团的引入提升了材料对氢同位素气体的分离选择性。其中，UiO-66-NH2 材料性能最为突出，具有高分离选择性的同时还兼具较高的 H2 吸附容量。
图2 (a) 77 K 和1 bar 条件下 UiO-66-NH2 的动态穿透曲线; (b) UiO-66 及其衍生物的 H2 吸附容量和分离因子。
03
总结展望
该工作主要通过在 UiO-66 中引入不同的功能基团，精细调控其孔径尺寸和孔道极性，深入探讨这些因素对氢同位素气体吸附及分离性能的影响。该工作不仅深化了对多孔材料结构与性能关系的理解，更为高效氢同位素气体分离材料的设计提供了指导。
04
论文信息
Exploration of functional group effects on D2/H2 separation selectivity within the UiO-66 framework
Xiufang Li, Yanxi Tan, Zhanfeng Ju, Wenjing Wang and Daqiang Yuan
Inorg. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QI02802C
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
袁大强 研究员
福建物构所
博士生导师。长期从事晶态多孔材料的设计合成与性能研究，设计合成了系列稳定并且具有独特孔结构的新型多孔材料，同时探究它们的气体吸附-分离性能。主持中科院前沿科学重点项目、中科院百人计划择优项目及国家自然科学基金面上项目等。在包括 Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chem. 等期刊发表论文100余篇，连续五年 (2018-2022) 入选科睿唯安年度“高被引科学家”名单。
王文经 副研究员
福建物构所
硕士生导师，致力于晶态多孔材料在气体吸附-分离方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目，以及福建省自然科学基金青年创新项目等多项研究课题。迄今以第一/通讯作者在 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B- Environ. 等期刊上发表论文20多篇。
李秀芳
福建物构所
中国科学院福建物质结构研究所材料与化工专业博士研究生。主要研究方向为晶态多孔材料的制备及其在同位素气体分离中的应用。
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