近日，中(zhong)國(guo)(guo)科學(xue)技(ji)術(shu)大學(xue)精(jing)準智能化學(xue)全國(guo)(guo)重(zhong)點實(shi)驗室徐銅文(wen)教授(shou)、汪耀明特任教授(shou)和李震宇教授(shou)團(tuan)隊(dui)(dui)聯合攻關，在(zai)氘(dao)代化學(xue)品制(zhi)備(bei)(bei)領域取得(de)突(tu)破性(xing)進展。研(yan)究團(tuan)隊(dui)(dui)創新性(xing)地(di)利用雙極膜實(shi)現(xian)(xian)重(zhong)水(shui)高效解(jie)離(li)(li)，發現(xian)(xian)了核量子(zi)效應(ying)導致膜層內氘(dao)離(li)(li)子(zi)遷移(yi)速(su)率反(fan)超氫離(li)(li)子(zi)的(de)現(xian)(xian)象(xiang)，顛(dian)覆了長(chang)期以(yi)來“重(zhong)水(shui)解(jie)離(li)(li)速(su)率比水(shui)慢”的(de)傳統認知，并成(cheng)功開發出低成(cheng)本制(zhi)備(bei)(bei)氘(dao)代酸堿的(de)新技(ji)術(shu)。7月9日，該重(zhong)要(yao)研(yan)究成(cheng)果在(zai)線發表于《自然(ran)》（Nature）。
雙極膜(mo)重水解離示意圖及理(li)論模擬
氘代(dai)酸和氘代(dai)堿是(shi)合成(cheng)氘代(dai)藥(yao)物、進行氫/氘交換反應(ying)的(de)關鍵(jian)原(yuan)料，同時在(zai)有機(ji)發光二極管（OLED）器件(jian)壽(shou)命提升(sheng)具有重要應(ying)用(yong)，市場前景(jing)廣闊。然而，當前氘代(dai)酸堿的(de)生產普遍存(cun)在(zai)工藝復雜(za)、反應(ying)條件(jian)苛刻、產物純化(hua)困(kun)難、過程能耗(hao)高(gao)等(deng)瓶頸問題(ti)。
雙極(ji)膜內氘(dao)離子遷移示意圖與制備氘(dao)代酸堿性能(neng)
此(ci)次研究以廉(lian)價(jia)的(de)無機鹽和(he)重水(shui)為原(yuan)料，在室(shi)溫(wen)條件下利用(yong)雙極膜解離重水(shui)，一步(bu)生(sheng)成高濃度(du)的(de)氘(dao)代(dai)酸(suan)和(he)氘(dao)代(dai)堿(jian)，大幅降(jiang)低了(le)生(sheng)產成本，有(you)望為下游眾多氘(dao)代(dai)化(hua)學品提供經濟、優質的(de)氘(dao)代(dai)酸(suan)堿(jian)原(yuan)料。
雙極膜(mo)解離(li)重水的實驗裝置
研究闡明(ming)了雙(shuang)極膜(mo)高(gao)效解離(li)(li)(li)(li)重(zhong)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)核心機理。在(zai)反向偏壓作用(yong)下(xia)，雙(shuang)極膜(mo)中間層離(li)(li)(li)(li)子定(ding)向遷(qian)出(chu)，解離(li)(li)(li)(li)產生的(de)(de)(de)氘離(li)(li)(li)(li)子和(he)氘氧(yang)根離(li)(li)(li)(li)子成為氘代(dai)酸堿的(de)(de)(de)來源。研究表(biao)明(ming)，與水(shui)(shui)體系(xi)相(xiang)比(bi)，重(zhong)水(shui)(shui)更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)(de)氘氧(yang)鍵(jian)(jian)鍵(jian)(jian)能和(he)更(geng)(geng)低的(de)(de)(de)離(li)(li)(li)(li)子擴散系(xi)數導致膜(mo)堆電壓顯著(zhu)升高(gao)；尤其是在(zai)消(xiao)耗相(xiang)同電荷量的(de)(de)(de)情況下(xia)，氘離(li)(li)(li)(li)子/氘氧(yang)根離(li)(li)(li)(li)子的(de)(de)(de)生成速率(lv)反是氫(qing)離(li)(li)(li)(li)子/氫(qing)氧(yang)根離(li)(li)(li)(li)子的(de)(de)(de)1.25倍，這顛覆(fu)了重(zhong)水(shui)(shui)解離(li)(li)(li)(li)速率(lv)慢的(de)(de)(de)固有認知。分子動力學模(mo)擬表(biao)明(ming)，重(zhong)水(shui)(shui)更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)(de)粘度和(he)更(geng)(geng)強(qiang)的(de)(de)(de)氫(qing)鍵(jian)(jian)網絡增加(jia)了陽離(li)(li)(li)(li)子遷(qian)移(yi)阻力，使(shi)其溶(rong)劑化殼層更(geng)(geng)穩定(ding)有序；其次(ci)，膜(mo)相(xiang)內(nei)氘離(li)(li)(li)(li)子團簇(cu)具有比(bi)質子團簇(cu)更(geng)(geng)低的(de)(de)(de)脫(tuo)水(shui)(shui)能壘，導致氘離(li)(li)(li)(li)子比(bi)氫(qing)離(li)(li)(li)(li)子在(zai)膜(mo)相(xiang)內(nei)具有更(geng)(geng)快(kuai)遷(qian)移(yi)速率(lv)。
基(ji)于此(ci)原理，研究團隊(dui)成(cheng)功(gong)(gong)將技術(shu)(shu)拓(tuo)展至多種體系，實(shi)現(xian)了(le)包括氘(dao)(dao)代(dai)硫酸(suan)、氘(dao)(dao)代(dai)鹽酸(suan)、氟化(hua)(hua)氘(dao)(dao)、氘(dao)(dao)代(dai)硝酸(suan)、氘(dao)(dao)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鉀、氘(dao)(dao)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鈉等一(yi)系列氘(dao)(dao)代(dai)酸(suan)堿試劑(ji)的高效制備。以該雙極膜重水解離(li)技術(shu)(shu)為核心的氘(dao)(dao)代(dai)酸(suan)堿制備平臺，平均生(sheng)產成(cheng)本(ben)僅(jin)為傳統工藝的五分之一(yi)。整個生(sheng)產過程無需使(shi)用強腐蝕(shi)性(xing)試劑(ji)或重金屬(shu)催化(hua)(hua)劑(ji)，排放趨近于零，環(huan)境友好特性(xing)突出(chu)，高度(du)契(qi)合我(wo)國經濟社會全(quan)面綠色(se)低碳轉型(xing)的戰(zhan)略方向。目前，該技術(shu)(shu)已成(cheng)功(gong)(gong)完成(cheng)3噸/年氘(dao)(dao)代(dai)酸(suan)堿的中(zhong)試放大，為其工業化(hua)(hua)大規(gui)模生(sheng)產奠(dian)定了(le)堅實(shi)基(ji)礎(chu)。
關注我們
公眾號(hao)：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
