二维原子晶体新型的高效氢同位素分离滤膜.pdf

物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao) 800 Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32 (3), 800－801 March [Highlight] doi: 10.3866/PKU.WHXB201602171 二维原子晶体：新型的高效氢同位素分离滤膜 付 磊 (武汉大学化学与分子科学学院，武汉430072) 氢同位素对于现代分析方法和示踪技术非常 高选择性其实是归因于同位素效应，换言之，即 重要，其重要化合物——重水更是作为减速剂被 二维原子晶体对氢核和氘核的传输能垒是不同 广泛用于铀核裂变中。然而，现有的氢同位素分 的。那么能垒差源自何处呢？在该体系中，在透 离技术，如水-硫化氢交换和低温蒸馏法，能耗极 过二维原子晶体前，氢核和氘核会与溶液里的基 1 3 大，且分离效率很低(分离因子 2.5) 。因此，发 团及水形成氢键 ，而对于两者而言，其氢氧键的 展低能耗、高效的氢同位素分离技术是一项极具 零点能是不同的，两者表现出60 meV 的能垒差。 挑战的工作。近期，单原子层厚度的石墨烯和氮 因此，可以推断如果质子传导介质具有更强的氢 化硼为氢同位素的分离带来了突破，它们作为仅 键，分离因子会更大，则更有利于氢同位素的高 能通过热质子和电子的单层原子晶体，在分离氢 效分离。而且值得注意的是，除了剥离法，化学 同位素时表现出非凡的亚原子选择透过性。诺贝 气相沉积(CVD)法所制得的石墨烯和氮化硼同样在 2 尔物理学奖获得者Geim 教授研究组 以单层石墨 筛离氢同位素方面表现出色，他们基于此建立了 烯和氮化硼这样一个极简的体系作为滤膜，在室 厘米级尺寸的设备，并成功从氘和氢混合物中有 温下成功分离了氢同位素，且石墨烯滤膜的分离 效地泵出了氢，证明了此技术的可扩展性。 因子高于10。这项研究成果已在必威体育精装版的Science 上 此项研究表明，石墨烯及氮化硼对氢同位素 发表。 具有优异的选择性，使得其能够有效分离氢同位 在该项研究中，他们采用了两种互补型方 素。基于CVD 法制备的大面积石墨烯，用简单的 法——测量电导率和质谱检测气流，探索了二维 筛分机制和分离设备，并结合具有强的氢键的质 + + 原子晶体对氘核(D )和氢核(H ) 的选择性。以后一 子传导介质，未来科学家们有望实现氢同位素的 种方法为例，他们通过输入一系列不同比例的 工业化分离。此外，这种同位素分离法无需添加 H + 、D + 混合溶液，发现氢同位素均能透过石墨 其它化学物质，能耗显著低于现有的分离富集过 + 烯，但输出的氢原子分数与输入的H 是不相称的 程，从而能有效地缓解能源和环境压力，有望在 (如图1b 所示) ，由图1b 计算分离因子约为10，即 分析和化学示踪技术上发挥作用，并真正地用于 证实了石墨烯确实能高效地分离氢同位素。这种 核废料的处理上，成为新一代超级 “过滤器”。 图1 质谱检测气流法探测石墨烯对氢同位素的分离效果 +