Nature：重水和普通水不再难舍难分！

【导读】

同位素无论是在基础研究还是工业化应用方面都有重要的作用。化学家试图利用基于分子化学的简单方法来分离同位素，例如通过电解使水同位素的键解离或使用笼状化合物或刚性多孔材料等宿主材料来捕获其中一种同位素。然而，由于同位素分子内结构和分子间相互作用的内在相似性，分离同位素一直是十分困难的。水同位素在生物过程、工业、医疗等方面非常重要，是最难分离的同位素对之一。因为它们的物理化学性质非常相似，导致传统蒸馏和电解方法分离H₂O（普通水）和D₂O（重水）的存在巨大阻碍。因此，用Geib-Spevack法等基于热力学平衡下质子交换的方法很难分离水同位素。此外，H₂O和D₂O的动力学直径非常小，且完全相同，这使得使用多孔基质的吸附分离相当困难。

【成果掠影】

近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室顾成研究员与京都大学SusumuKitagawa教授合作报道了通过构建两种多孔配位聚合物(PCPs，或金属-有机框架) 实现在室温下高效分离水同位素的方法，该框架内的分子翻折运动提供了扩散调节功能。流速由收缩的孔隙上的动态“开关”的局部运动来调节，从而放大了水同位素扩散率的微小差异。两种PCPs上都发生了显著的温度响应吸附：相比于D₂O蒸汽，H₂O蒸汽优先被吸附到PCPs上且吸收量大幅增加，促进了H₂O/HDO/D₂O三元混合物蒸汽的动力学的分离，在室温下H₂O分离系数高达210左右。相关成果以“Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials”为题发表在国际顶级期刊Nature上。

【核心创新点】

Cu(DBAP)和Cu(IDB)具有分离重水的性能

【数据概览】

图1 水同位素动态识别的扩散调节机制. © 2022 Springer Nature

图2 扩散调节PCPs的结构描述 © 2022 Springer Nature

图3 FDC-1a和FDC-2a水同位素吸附动力学 © 2022 Springer Nature

图4 混合蒸汽分离© 2022 Springer Nature

【结论展望】

这项工作证明了室温下，在两种PCPs中可以放大水同位素的扩散速率差异，从而实现水同位素的有效区分。温度递升脱附（TPD）实验证明了基于动力学的H₂O/HDO/D₂O三元混合物的蒸汽分离，在298 K时水分离系数高达210左右。这些突出的分辨特征归因于其潜在的局部动态运动扩散机制，该机制是由超小孔径和栅极组分的局部动力学共同实现的。这一原理可以更广泛地适用于各种吸附剂，实现同位素的有效识别。这项工作为分离其他小分子提供新的策略，具有重要意义。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05310-y

本文由张熙熙供稿。