二维原子晶体：新型的高效氢同位素分离滤膜

付磊

(武汉大学化学与分子科学学院，武汉430072)

二维原子晶体：新型的高效氢同位素分离滤膜

付磊

(武汉大学化学与分子科学学院，武汉430072)

氢同位素对于现代分析方法和示踪技术非常重要，其重要化合物——重水更是作为减速剂被广泛用于铀核裂变中。然而，现有的氢同位素分离技术，如水-硫化氢交换和低温蒸馏法，能耗极大，且分离效率很低(分离因子<2.5)1。因此，发展低能耗、高效的氢同位素分离技术是一项极具挑战的工作。近期，单原子层厚度的石墨烯和氮化硼为氢同位素的分离带来了突破，它们作为仅能通过热质子和电子的单层原子晶体，在分离氢同位素时表现出非凡的亚原子选择透过性。诺贝尔物理学奖获得者Geim教授研究组2以单层石墨烯和氮化硼这样一个极简的体系作为滤膜，在室温下成功分离了氢同位素，且石墨烯滤膜的分离因子高于10。这项研究成果已在最新的Science上发表。

在该项研究中，他们采用了两种互补型方法——测量电导率和质谱检测气流，探索了二维原子晶体对氘核(D+)和氢核(H+)的选择性。以后一种方法为例，他们通过输入一系列不同比例的H+、D+混合溶液，发现氢同位素均能透过石墨烯，但输出的氢原子分数与输入的H+是不相称的(如图1b所示)，由图1b计算分离因子约为10，即证实了石墨烯确实能高效地分离氢同位素。这种高选择性其实是归因于同位素效应，换言之，即二维原子晶体对氢核和氘核的传输能垒是不同的。那么能垒差源自何处呢？在该体系中，在透过二维原子晶体前，氢核和氘核会与溶液里的基团及水形成氢键3，而对于两者而言，其氢氧键的零点能是不同的，两者表现出60meV的能垒差。因此，可以推断如果质子传导介质具有更强的氢键，分离因子会更大，则更有利于氢同位素的高效分离。而且值得注意的是，除了剥离法，化学气相沉积(CVD)法所制得的石墨烯和氮化硼同样在筛离氢同位素方面表现出色，他们基于此建立了厘米级尺寸的设备，并成功从氘和氢混合物中有效地泵出了氢，证明了此技术的可扩展性。

此项研究表明，石墨烯及氮化硼对氢同位素具有优异的选择性，使得其能够有效分离氢同位素。基于CVD法制备的大面积石墨烯，用简单的筛分机制和分离设备，并结合具有强的氢键的质子传导介质，未来科学家们有望实现氢同位素的工业化分离。此外，这种同位素分离法无需添加其它化学物质，能耗显著低于现有的分离富集过程，从而能有效地缓解能源和环境压力，有望在分析和化学示踪技术上发挥作用，并真正地用于核废料的处理上，成为新一代超级“过滤器”。

图1　质谱检测气流法探测石墨烯对氢同位素的分离效果

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