Nuevo material para la separación eficaz del deuterio a temperaturas elevadas
Se ha presentado un novedoso material poroso capaz de separar el deuterio (D2) del hidrógeno (H2) a una temperatura de 120 K. Esta temperatura supera el punto de licuefacción del gas natural, lo que facilita las aplicaciones industriales a gran escala. Este avance presenta una vía atractiva para la producción económica de D2 aprovechando la infraestructura existente de gasoductos de producción de gas natural licuado (GNL). La investigación, realizada por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) (Corea), el Helmholtz-Zentrum Berlin, el Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) y la Universidad Soongsil (Corea), se ha publicado en Nature Communications.
La estructura cristalina del Cu-ZIF-gis muestra canales cilíndricos rectos a lo largo del eje c. Los poros se calcularon con superficies Connolly con una sonda de 1,1 Å. (Cu, naranja; N, azul; C, gris; O, magenta; H, blanco).
Minji Jung / Department of Chemistry, UNIST
El deuterio, un isótopo estable del hidrógeno, desempeña un papel fundamental en la mejora de la durabilidad y la eficiencia luminosa de semiconductores y dispositivos de visualización, además de servir como combustible de fusión en la producción de energía. Sin embargo, la creciente demanda de D2 plantea retos en su producción, principalmente debido a la necesidad de separarlo del hidrógeno mediante un proceso de destilación criogénica realizado a temperaturas tan bajas como 20 K (-253 °C). Aunque se ha investigado el uso de marcos metalorgánicos (MOF) para la separación del D2, su eficacia disminuye considerablemente a temperaturas elevadas.
En este estudio, el equipo de investigación presentó un marco de imidazolato de zeolita con base de cobre (Cu-ZIF-gis), que muestra un rendimiento excepcional en la separación de D2, incluso a 120 K (-153℃). Mientras que los MOF típicos funcionan eficazmente a unos 23 K (-250℃), su rendimiento disminuye bruscamente a medida que las temperaturas se acercan a 77 K (-196℃). Sin embargo, el MOF basado en Cu recientemente desarrollado demuestra una ventaja significativa al mantener su eficacia a temperaturas más elevadas.
Por primera vez, el equipo de investigación identificó que el rendimiento superior de este material se debe a la mayor expansión de su red a medida que aumenta la temperatura. A temperaturas criogénicas, los poros del MOF desarrollado son más pequeños que las moléculas de H2, lo que inhibe su paso. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, la red se expande, dando lugar a un aumento del tamaño de los poros. Este agrandamiento facilita el paso de los gases a través de los poros, permitiendo así la separación de H2 y D2 mediante el efecto de tamizado cuántico, en el que las moléculas más pesadas atraviesan los poros más eficientemente a temperaturas más bajas.
Los experimentos in situ de difracción de rayos X (DRX) y dispersión de neutrones cuasi-elásticos (QENS), realizados en el Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble (Francia) por el equipo conjunto del UNIST, el HZB y el MLZ, confirmaron la expansión de la estructura reticular con el aumento de la temperatura, así como la diferencia en la difusividad isotópica incluso a temperaturas elevadas. Además, los análisis de los experimentos de espectroscopia de desorción térmica (TDS) indicaron una separación estable de D2 a temperaturas elevadas.
El profesor Oh comentó: "El material presentado presenta un consumo de energía notablemente menor y una mayor eficacia de separación en comparación con la mayoría de los métodos tradicionales, que funcionan a temperaturas extremadamente bajas". El Dr. Jitae Park señaló además: "Estos hallazgos pueden aplicarse para desarrollar tecnologías sostenibles de separación de isótopos utilizando la infraestructura criogénica de GNL existente, lo que subraya su potencial impacto industrial."
La Dra. Margarita Russina destacó el papel crucial de QENS en este estudio, declarando: "Con QENS podemos sondear directamente el movimiento molecular del H2 y el D2 en los MOF, obteniendo información clave sobre su comportamiento de difusión y sus interacciones con los materiales porosos. El mayor confinamiento observado del D2 en comparación con el H₂, un fenómeno estrictamente a nanoescala, da lugar a efectos notables en las propiedades macroscópicas, sentando las bases para el desarrollo de una nueva generación de materiales para una separación isotópica más eficiente."
El equipo de investigación, dirigido conjuntamente por el profesor Hyunchul Oh, del Departamento de Química del UNIST, el profesor Jaheon Kim, de la Universidad Soongsil, el doctor Jitae Park, del Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), y la doctora Margarita Russina, del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) de Berlín (Alemania), anunció este avance el 19 de marzo de 2025. En el estudio también participaron Minji Jung, Jaewoo Park y Raeesh Muhammad, del Departamento de Química del UNIST, que actuaron como co-primeros autores. Los resultados de esta investigación se publicaron en Nature Communications el 27 de febrero de 2025. Este estudio ha contado con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación (NRF) de Corea y del Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT), así como del Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble (Francia) para la asignación de tiempo de haz.
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Publicación original
Minji Jung, Jaewoo Park, Raeesh Muhammad, Taeung Park, Sung-Yeop Jung, Jungwon Yi, Cheolwon Jung, Jacques Ollivier, Anibal J. Ramirez-Cuesta, Jitae T. Park, Jaheon Kim, Margarita Russina, Hyunchul Oh; "Lattice-driven gating in a Cu-based zeolitic imidazolate framework for efficient high-temperature hydrogen isotope separation"; Nature Communications, Volume 16, 2025-2-27
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