Un nuevo material híbrido desarrollado por científicos de la Universidad de Liverpool puede acercar el sueño de la energía de fusión nuclear libre de carbono.
La separación de los tres isótopos de hidrógeno hidrógeno, deuterio y tritio es de importancia clave para la tecnología de energía de fusión, pero las tecnologías actuales son intensivas en energía e ineficientes. Los materiales nanoporosos tienen el potencial de separar los isótopos de hidrógeno mediante un proceso conocido como cinético.tamizado cuántico KQS, pero los bajos niveles de rendimiento actualmente prohíben la ampliación.
En un nuevo estudio publicado en ciencia , los investigadores de la Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad de Liverpool han creado jaulas orgánicas porosas híbridas capaces de tamizado cuántico de alto rendimiento que podrían ayudar a avanzar en las tecnologías de separación de isótopos de deuterio / hidrógeno necesarias para la energía de fusión.
El deuterio, también llamado hidrógeno pesado, tiene varios usos comerciales y científicos, incluida la energía nuclear, la espectroscopía de RMN y la farmacología. Estas aplicaciones necesitan deuterio de alta pureza, que es costoso debido a su baja abundancia natural. Enriquecimiento de deuterio a partir de hidrógeno.contener materias primas, como el agua de mar, es un proceso industrial importante, pero es costoso y requiere mucha energía.
Las jaulas orgánicas porosas son un material poroso emergente, reportado por primera vez por el grupo del profesor Andrew Cooper en la Universidad de Liverpool en 2009, que se han utilizado previamente para la separación de isómeros de xileno, gases nobles y moléculas quirales.
Sin embargo, purificar el deuterio de las mezclas de hidrógeno / gas de deuterio de esta manera es difícil porque ambos isótopos tienen el mismo tamaño y forma en condiciones normales. Al combinar las jaulas de poro pequeño y grande en un solo sólido, el grupo ahora tieneprodujo un material con un rendimiento de separación de alta calidad que combina una excelente selectividad de deuterio / hidrógeno con una alta absorción de deuterio.
La investigación fue dirigida por el profesor Andrew Cooper FRS, cuyo equipo en la Fábrica de Innovación de Materiales diseñó y sintetizó los nuevos sistemas de jaulas. Un equipo separado dirigido por el Dr. Michael Hirscher en el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes probó el rendimiento de la separación usando térmica criogénicaespectroscopía de desorción.
El profesor Cooper dijo: "La separación de los isótopos de hidrógeno son algunas de las separaciones moleculares más difíciles que se conocen hoy en día. El 'Santo Grial' para la separación de hidrógeno / deuterio es introducir con precisión el tamaño de poro correcto para lograr una alta selectividad sin comprometer también la absorción de gasmucho."
"Nuestro enfoque permite un ajuste extremadamente delicado del tamaño de poro: toda la ventana de sintonización para esta serie de jaulas abarca el diámetro de un solo átomo de nitrógeno, y esto se adapta idealmente a aplicaciones como KQS".
El autor principal, el Dr. Ming Liu, agregó: "Si bien el enfoque sintético implica la síntesis orgánica de varios pasos, cada paso avanza con un rendimiento cercano al 100% y no existe una purificación intermedia, por lo que hay un buen potencial para escalar estos materiales".
Los estudios estructurales realizados en la Fuente de Luz Diamante del Reino Unido y la Fuente de Luz Avanzada en California, permitieron al equipo de Liverpool desarrollar una reacción de estado sólido selectiva en el sitio, que permitió ajustar delicadamente el tamaño de poro de las jaulas orgánicas porosas. Estos estudiosTambién permitió que el equipo diseñara y entendiera la estructura de su material de mejor rendimiento, que combinaba jaulas de poros pequeños y grandes. El coautor Dr. Marc Little agregó: "Los datos recopilados en estas instalaciones líderes mundiales respaldaron nuestros hallazgos estructurales clave y fueronuna parte integral de este estudio "
La comprensión mecanicista del rendimiento superior de estos materiales fue respaldada por un esfuerzo computacional conjunto, dirigido por el Dr. Linjiang Chen del Centro de Investigación Leverhulme para el Diseño de Materiales Funcionales en la Fábrica de Innovación de Materiales, que también involucra a grupos teóricos de Xi'an JiaoTong-Universidad de Liverpool China y École Polytechnique Fédérale de Lausanne Suiza.
Aunque el material informado tiene un excelente rendimiento para separar el deuterio del hidrógeno, la temperatura de operación ideal es baja 30 K. El grupo ahora está trabajando en el diseño de un nuevo material que pueda separar los isótopos de hidrógeno a temperaturas más altas.
La investigación fue apoyada por EPSRC, el Consejo Europeo de Investigación, el Leverhulme Trust y el Consejo de Becas de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Liverpool . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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