Gran avance en la investigación del hidrógeno: separación isotópica más eficaz a la vista
Un equipo internacional de investigación ha dado un gran paso para hacer realidad su sueño de separar isótopos de hidrógeno a temperatura ambiente y a bajo coste
El más ligero de todos los elementos, el hidrógeno, es objeto de una gran demanda debido a su prometedor papel como recurso sostenible en la transición energética. Un equipo de la Universidad de Leipzig y la TU Dresden, dentro del Grupo de Formación en Investigación sobre isótopos de Hidrógeno 1,2,3H, ha logrado un importante avance en el suministro eficaz y rentable de isótopos. Se trata de las tres formas en que se presenta el hidrógeno en la naturaleza: como protio, deuterio o tritio. El equipo internacional de investigadores ha dado un gran paso hacia la realización de su sueño de separar los isótopos del hidrógeno a temperatura ambiente y a bajo coste. Los hallazgos del equipo acaban de publicarse en la revista Chemical Science.
Ilustración de la unión preferente del hidrógeno pesado (azul) al hidrógeno ligero (blanco) en el centro metálico, activada por la unión de una molécula de agua (oxígeno rojo, hidrógeno blanco).
Leipzig University
El protio, o hidrógeno-1, es la forma más común del hidrógeno. El deuterio, conocido como hidrógeno pesado, desempeña un papel cada vez más importante, por ejemplo en el desarrollo de fármacos más estables y eficaces. Una mezcla de deuterio y tritio, el hidrógeno "superpesado", sirve de combustible para la fusión nuclear, una fuente de energía sostenible del futuro. Uno de los problemas sin resolver en la investigación del hidrógeno es cómo proporcionar estos isótopos en una forma altamente pura de manera eficiente y rentable, ya que tienen propiedades físicas muy similares. Los procesos actuales de separación de isótopos no son muy eficaces y consumen grandes cantidades de energía.
"Desde hace casi 15 años se sabe que los marcos metalorgánicos porosos pueden, en principio, utilizarse para purificar y separar isótopos de hidrógeno. Sin embargo, esto sólo ha sido posible a temperaturas muy bajas, en torno a 200 grados Celsius bajo cero, condiciones que son muy costosas de aplicar a escala industrial", afirma el profesor Knut Asmis, del Instituto Wilhelm Ostwald de Química Física y Teórica de la Universidad de Leipzig y portavoz del Grupo de Formación en Investigación. Añade que el mecanismo de separación se basa en la adsorción fuertemente favorecida de uno de los isótopos presentes en uno de los centros metálicos libres del sólido poroso. La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de un gas o líquido se adhieren a una superficie sólida, a menudo porosa.
Los investigadores doctorales del Grupo de Formación en Investigación 1,2,3H Elvira Dongmo, Shabnam Haque y Florian Kreuter, todos ellos miembros de uno de los grupos de investigación dirigidos por el Profesor Thomas Heine (TU Dresden), el Profesor Knut Asmis y el Profesor Ralf Tonner-Zech (ambos de la Universidad de Leipzig), han profundizado ahora en la influencia del entorno del marco en la selectividad de la adsorción. Es decir, la cuestión de por qué uno de los isótopos tiene más probabilidades de adherirse que el otro. Esto se ha descifrado en detalle en el presente estudio mediante una interacción sinérgica entre espectroscopia de última generación, cálculos químicos cuánticos y análisis de la unión química en un sistema modelo. "Por primera vez, hemos podido demostrar la influencia de los átomos individuales de los compuestos marco en la adsorción. Ahora podemos optimizarlos de forma específica para obtener materiales con una alta selectividad a temperatura ambiente", afirma Heine.
El Grupo de Formación en Investigación 1,2,3H, financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) con 5,4 millones de euros en 4,5 años, ha estado formando a más de 20 investigadores de doctorado desde octubre de 2021. Combina la experiencia de la Universidad de Leipzig, TU Dresden, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf y el Instituto Leibniz de Ingeniería de Superficies con el fin de desarrollar nuevos materiales, medicamentos más eficaces y métodos de detección más sensibles mediante la agrupación de la financiación de la investigación básica y la formación en el campo de los isótopos de hidrógeno. La segunda cohorte de unos 15 a 20 investigadores doctorales comenzará su programa de doctorado estructurado de tres años el 1 de octubre de 2024.
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