重氢（蓝色）与轻氢（白色）在金属中心优先结合，由水分子（氧红色，氢白色）结合激活。图源：莱比锡大学
氢同位素对现代医学和可持续能源至关重要，但它们的分离效率低下且成本高昂。
一项利用金属有机框架的新研究显示出在室温下改善这一过程的前景，这项由资金充足的德国研究小组牵头的研究旨在培养下一代科学家。
氕，又称氢-1，是最丰富的氢同位素。其较重的对应物氘在药物中越来越重要，可提高药物的稳定性和有效性。氘与氚一起形成核聚变的“超重”氢燃料，是未来的可持续能源。然而，由于这些同位素的物理性质相似，因此高效且经济地纯化它们仍然是一项挑战。目前的同位素分离方法耗能大且效率低下。
同位素分离的挑战“近 15 年来，人们已经知道多孔金属有机骨架原则上可用于净化和分离氢同位素。然而，这只能在极低的温度下实现，大约零下 200 摄氏度——这种条件在工业规模上实施成本非常高。”莱比锡大学威廉·奥斯特瓦尔德物理和理论化学研究所的教授兼研究培训小组发言人 Knut Asmis 说道，分离机制是基于多孔固体中自由金属中心上存在的同位素的强吸附。吸附是气体或液体中的原子、离子或分子粘附在固体（通常是多孔的）表面上的过程。
氢同位素研究进展1,2,3 H 研究培训小组的博士研究员Elvira Dongmo、Shabnam Haque 和 Florian Kreuter 都是由 Thomas Heine 教授（德累斯顿工业大学）、Knut Asmis 教授和 Ralf Tonner-Zech 教授（均来自莱比锡大学）领导的研究小组的成员，现在他们对框架环境对结合选择性的影响有了更深入的了解。这意味着为什么其中一种同位素比另一种更容易粘附的问题。本研究通过最先进的光谱学、量子化学计算和模型系统上的化学结合分析之间的协同作用详细揭示了这一点。
“我们首次能够展示骨架化合物中单个原子对吸附的影响。我们现在可以有针对性地对其进行优化，以获得在室温下具有高选择性的材料。”Heine 指出。
合作研究和培训工作1,2,3 H 研究培训小组由德国研究基金会 (DFG) 资助，为期 4.5 年，共计 540 万欧元，自 2021 年 10 月以来一直在培训 20 多名博士研究人员。该小组结合了莱比锡大学、德累斯顿工业大学、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心和莱布尼茨表面工程研究所的专业知识，旨在通过为氢同位素领域的基础研究和培训提供资金，开发新型材料、更有效的药物和更灵敏的检测方法。第二批约 15 至 20 名博士研究人员将于 2024 年 10 月 1 日开始为期三年的结构化博士课程。
参考文献：Elvira Gouatieu Dongmo、Shabnam Haque、Florian Kreuter、Toshiki Wulf、Jiaye Jin、Ralf Tonner-Zech、Thomas Heine 和 Knut R. Asmis 撰写的“配体增强 Cu(I) 位点活性的直接证据”，2024 年 8 月 16 日，《化学科学》。DOI：10.1039/D4SC04582C
来源：莱比锡大学
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