Um novo material híbrido desenvolvido por cientistas da Universidade de Liverpool pode trazer um passo mais perto o sonho da energia de fusão nuclear sem carbono.

A separação dos três isótopos do hidrogênio (hidrogênio, deutério, e trítio) é de importância fundamental para a tecnologia de energia de fusão, mas as tecnologias atuais consomem muita energia e são ineficientes. Materiais nanoporosos têm o potencial de separar isótopos de hidrogênio por um processo conhecido como peneiramento quântico cinético (KQS), mas os baixos níveis de desempenho atualmente proíbem o aumento de escala.

Em um novo estudo publicado em Ciência , pesquisadores da Fábrica de Inovação de Materiais da Universidade de Liverpool criaram gaiolas orgânicas porosas híbridas capazes de peneiramento quântico de alto desempenho que poderia ajudar a avançar as tecnologias de separação de isótopos de deutério / hidrogênio necessárias para a energia de fusão.

Deutério, também chamado de hidrogênio pesado, tem vários usos comerciais e científicos, incluindo energia nuclear, Espectroscopia de RMN e farmacologia. Essas aplicações precisam de deutério de alta pureza, que é caro por causa de sua baixa abundância natural. Enriquecimento de deutério a partir de matérias-primas contendo hidrogênio, como a água do mar, é um processo industrial importante, mas é caro e consome muita energia.

Gaiolas orgânicas porosas são um material poroso emergente, relatado pela primeira vez pelo grupo do professor Andrew Cooper na Universidade de Liverpool em 2009, que foram usados ​​anteriormente para a separação de isômeros de xileno, gases nobres, e moléculas quirais.

Contudo, purificar o deutério de misturas de hidrogênio / gás deutério dessa maneira é difícil porque ambos os isótopos têm o mesmo tamanho e forma em condições normais. Ao combinar gaiolas de poros pequenos e poros grandes em um único sólido, o grupo já produziu um material com desempenho de separação de alta qualidade que combina uma excelente seletividade de deutério / hidrogênio com uma alta absorção de deutério.

A pesquisa foi liderada pelo Professor Andrew Cooper FRS, cuja equipe da Fábrica de Inovação de Materiais projetou e sintetizou os novos sistemas de gaiola. Uma equipe separada liderada pelo Dr. Michael Hirscher no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes testou o desempenho da separação usando espectroscopia de dessorção térmica criogênica.

Professor Cooper disse:"A separação de isótopos de hidrogênio são algumas das separações moleculares mais difíceis conhecidas hoje. O" Santo Graal 'para separação de hidrogênio / deutério é introduzir precisamente o tamanho de poro certo para alcançar alta seletividade sem comprometer muito a absorção de gás. "

"Nossa abordagem permite um ajuste extremamente delicado do tamanho dos poros - toda a janela de ajuste para esta série de gaiolas abrange o diâmetro de um único átomo de nitrogênio - e isso é ideal para aplicações como KQS."

O autor principal, Dr. Ming Liu, acrescentou:"Embora a abordagem sintética envolva síntese orgânica em várias etapas, cada etapa prossegue com rendimento próximo de 100% e não há purificação intermediária, portanto, há um bom potencial para aumentar a escala desses materiais. "

Os estudos estruturais realizados na Diamond Light Source do Reino Unido e na Advanced Light Source na Califórnia permitiram à equipe de Liverpool desenvolver um site seletivo, reação de estado sólido, o que permitiu que o tamanho dos poros das gaiolas orgânicas porosas fosse delicadamente ajustado. Esses estudos também permitiram à equipe projetar e compreender a estrutura de seu material de melhor desempenho, que combinava gaiolas de poros pequenos e grandes. O co-autor, Dr. Marc Little, acrescentou:"Os dados coletados nessas instalações líderes mundiais sustentaram nossas principais descobertas estruturais e foram parte integrante deste estudo."

A compreensão mecanicista do desempenho superior desses materiais foi apoiada por um esforço computacional conjunto, liderado pelo Dr. Linjiang Chen do Centro de Pesquisa Leverhulme para Design de Materiais Funcionais na Fábrica de Inovação de Materiais, também envolvendo grupos teóricos da Xi'an Jiaotong – Liverpool University (China) e da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suíça).

Embora o material relatado tenha excelente desempenho para separar o deutério do hidrogênio, a temperatura ideal de operação é baixa (30 K). O grupo agora está trabalhando no projeto de um novo material que pode separar os isótopos de hidrogênio em temperaturas mais altas.

O papel, "Gaiolas orgânicas pouco porosas para separação de isótopos de hidrogênio, "é publicado em Ciência .