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    Desenvolvendo um sistema inteligente de separação de isótopos

    MOF-74-IM. Crédito:UNIST

    Uma equipe internacional de pesquisadores, afiliado com UNIST apresentou um novo sistema de separação de isótopos de hidrogênio com base em uma estrutura orgânica de metal poroso (MOF). O isolamento do deutério de uma mistura isotópica físico-quimicamente quase idêntica tem sido um desafio seminal na moderna tecnologia de separação. Este sistema MOF, Enquanto isso, poderia separar e armazenar com eficiência o deutério dentro dos poros, exibindo a maior seletividade de qualquer sistema até o momento.

    Esta descoberta foi liderada pelo Professor Hoi Ri Moon na Escola de Ciências Naturais da UNIST, Professor Hyunchul Oh da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia de Gyeongnam (GNTECH) e Dr. Michael Hirscher do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI). Além disso, seu trabalho foi destaque na capa da edição de outubro de 2017 da Jornal da American Chemical Society ( JACS )

    No estudo, a equipe de pesquisa relatou um sistema de separação de isótopos de hidrogênio altamente eficaz com base em estruturas orgânicas de metal poroso (MOFs) por meio de uma estratégia simples de pós-modificação. Além disso, eles também demonstraram que o deutério pode ser eficientemente separado e armazenado dentro dos poros do sistema MOF-74-IM através da implementação de dois efeitos de peneiramento quântico em um sistema.

    Deutério (símbolo químico D ou ²H) é um isótopo estável de hidrogênio com um núcleo contendo um nêutron e um próton. É uma matéria-prima insubstituível, amplamente empregado em aplicações de pesquisa industrial e científica, variando de rastreamento de isótopos a espalhamento de nêutrons, bem como a fusão nuclear. Além de estar naturalmente presente em quantidades muito pequenas, o deutério constitui 0,016% do hidrogênio total que ocorre na natureza.

    Na maioria dos casos, o grau desejado de deutério pode ser alcançado isolando o deutério da mistura isotópica de hidrogênio. Contudo, porque os isótopos têm propriedades físicas e químicas semelhantes, o processo de filtrar o deutério da mistura isotópica natural de hidrogênio é atualmente difícil e caro. Para resolver este problema, os cientistas projetaram uma nova estrutura MOF que eles esperam pode levar a uma nova ferramenta científica que irá filtrar seletivamente o deutério, usando o chamado "efeito de peneiramento quântico".

    "Você pode pensar no efeito de peneiramento quântico, como o método de separar o deutério e o hidrogênio um do outro com base em suas diferenças quânticas por meio de uma peneira quântica, "diz Jin Yeong Kim no Mestrado / Doutorado Combinado de Ciências Naturais, o primeiro autor do estudo. "É como separar o arroz de uma mistura de arroz com milho, usando uma peneira, de acordo com seu tamanho. "

    Existem dois tipos de efeitos de peneiramento quântico para a separação de deutério até o momento, peneiramento quântico cinético (KQS) e peneiramento quântico de afinidade química (CAQS). No estudo, A professora Moon e sua equipe de pesquisa sugeriram uma nova estratégia de combinar KQS e CAQS em um sistema para separar misturas isotópicas, criando assim um efeito sinérgico.

    Além disso, este sistema de material inteligente só pode ser testado experimentalmente porque a equipe de pesquisa, liderado por Michael Hirscher, projetaram um aparelho no qual podem analisar as quantidades armazenadas de diferentes gases isotópicos diretamente com o auxílio de um espectrômetro de massa em condições criogênicas. Seu sistema recém-desenvolvido nunca foi proposto, e assim, atraiu muita atenção como a primeira tecnologia em que os efeitos KQS e CAQS ocorrem simultaneamente.

    Para aquele propósito, eles escolheram o MOF-74-Ni poroso, tendo altas entalpias de adsorção de hidrogênio devido a fortes sítios de metal abertos, para a funcionalidade CAQS. Simultaneamente, Moléculas de imidazol (IM) foram empregadas no canal MOF-74-Ni como uma barreira de difusão, reduzindo efetivamente o tamanho da abertura e bloqueando repetidamente a difusão de H2, resultando no efeito KQS. Portanto, o deutério pode ser difundido no canal de poro controlado mais rápido do que o hidrogênio, e preferencialmente ligado aos locais de ligação forte de locais de metal aberto de Ni2 +. Como resultado, o fator de separação exibiu ca. 26 (26 moléculas de deutério separadas por uma molécula de hidrogênio) a 77 K.

    "A seletividade de 26 é muito superior a qualquer sistema anterior, com um máximo de 6 sob condições idênticas", diz Hyunchul Oh, o autor correspondente do artigo. Ele adiciona, "Em 77 K, o processo de separação pode ser explorado com nitrogênio líquido, o que o torna mais econômico do que o método de destilação criogênica operado com hélio líquido a cerca de 20 K, "

    "Embora a ideia de separar o deutério usando efeitos de peneiramento quântico já exista, este trabalho não é apenas a primeira tentativa de implementar dois efeitos de peneiramento quântico, KQS e CAQS, em um sistema, mas também fornece validação experimental da utilidade deste sistema para uso industrial prático, isolando D2 de alta pureza por meio de estudos de separação seletiva direta usando misturas 1:1 D2 / H2 ", diz o professor Moon, o autor correspondente do artigo. Ela adiciona, "Prevemos que esta estratégia pode fornecer novas oportunidades para o design inteligente de materiais porosos, levando ao desenvolvimento de outros isótopos altamente eficientes e sistemas de separação de gás."


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