近日(ri)，中(zhong)國科(ke)學(xue)(xue)技術大學(xue)(xue)精準(zhun)智能化學(xue)(xue)全國重(zhong)點(dian)實驗室徐銅文教授(shou)、汪耀明特任教授(shou)和李(li)震宇(yu)教授(shou)團隊聯合攻關(guan)，在(zai)(zai)氘(dao)(dao)代化學(xue)(xue)品制備(bei)領域(yu)取得(de)突破性進展(zhan)。研究團隊創新(xin)(xin)性地(di)利用(yong)雙極膜(mo)實現(xian)(xian)重(zhong)水高效解離(li)，發現(xian)(xian)了(le)核(he)量(liang)子效應導致膜(mo)層(ceng)內氘(dao)(dao)離(li)子遷移速率反超氫(qing)離(li)子的現(xian)(xian)象，顛覆了(le)長(chang)期以來(lai)“重(zhong)水解離(li)速率比水慢”的傳統認知，并成(cheng)功開發出(chu)低成(cheng)本制備(bei)氘(dao)(dao)代酸堿(jian)的新(xin)(xin)技術。7月9日(ri)，該重(zhong)要研究成(cheng)果在(zai)(zai)線發表于《自(zi)然》（Nature）。
雙極膜重水解(jie)離示意(yi)圖及理論(lun)模擬
氘代(dai)酸和氘代(dai)堿是合成氘代(dai)藥物、進(jin)行氫/氘交換反(fan)應(ying)的關鍵原料(liao)，同時在(zai)(zai)有(you)機發光二極管（OLED）器件壽(shou)命提升具有(you)重(zhong)要應(ying)用，市(shi)場前景廣闊。然(ran)而，當前氘代(dai)酸堿的生產普遍存在(zai)(zai)工藝(yi)復雜(za)、反(fan)應(ying)條件苛(ke)刻、產物純(chun)化困難、過(guo)程能耗高等瓶頸問(wen)題。
雙極膜(mo)內氘(dao)離子遷移示意圖與(yu)制備氘(dao)代(dai)酸堿性能(neng)
此次(ci)研究以廉(lian)價(jia)的(de)(de)無機鹽和重水(shui)為(wei)原(yuan)(yuan)料，在室溫條(tiao)件下利用雙極膜(mo)解離重水(shui)，一步生成高濃度的(de)(de)氘代(dai)(dai)(dai)酸(suan)和氘代(dai)(dai)(dai)堿，大幅降低了生產成本，有望為(wei)下游(you)眾多氘代(dai)(dai)(dai)化學品提供經(jing)濟、優(you)質的(de)(de)氘代(dai)(dai)(dai)酸(suan)堿原(yuan)(yuan)料。
雙(shuang)極膜(mo)解離重水的實(shi)驗裝(zhuang)置
研(yan)究闡明(ming)了(le)雙極膜(mo)(mo)高(gao)效(xiao)解離(li)(li)(li)(li)重(zhong)水的(de)(de)核心機理。在反向偏壓(ya)作用下，雙極膜(mo)(mo)中間層離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)定(ding)向遷出，解離(li)(li)(li)(li)產生(sheng)的(de)(de)氘(dao)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)氘(dao)氧(yang)(yang)根(gen)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)成為氘(dao)代(dai)酸堿的(de)(de)來源。研(yan)究表(biao)明(ming)，與水體(ti)系相(xiang)比(bi)，重(zhong)水更高(gao)的(de)(de)氘(dao)氧(yang)(yang)鍵(jian)鍵(jian)能(neng)和(he)更低(di)的(de)(de)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)擴散系數導(dao)致(zhi)膜(mo)(mo)堆電壓(ya)顯著升高(gao)；尤其是在消耗相(xiang)同(tong)電荷量(liang)的(de)(de)情況下，氘(dao)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)/氘(dao)氧(yang)(yang)根(gen)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)生(sheng)成速(su)(su)率(lv)反是氫(qing)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)/氫(qing)氧(yang)(yang)根(gen)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)1.25倍，這(zhe)顛覆了(le)重(zhong)水解離(li)(li)(li)(li)速(su)(su)率(lv)慢的(de)(de)固有(you)認(ren)知(zhi)。分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)動力學模擬表(biao)明(ming)，重(zhong)水更高(gao)的(de)(de)粘度和(he)更強(qiang)的(de)(de)氫(qing)鍵(jian)網(wang)絡(luo)增加了(le)陽離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)遷移阻(zu)力，使其溶劑化(hua)殼層更穩定(ding)有(you)序；其次，膜(mo)(mo)相(xiang)內氘(dao)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)團簇具有(you)比(bi)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)團簇更低(di)的(de)(de)脫(tuo)水能(neng)壘，導(dao)致(zhi)氘(dao)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)氫(qing)離(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在膜(mo)(mo)相(xiang)內具有(you)更快(kuai)遷移速(su)(su)率(lv)。
基于(yu)此原(yuan)理，研究團隊成功(gong)將(jiang)技(ji)(ji)術拓(tuo)展至多種(zhong)體(ti)系，實現(xian)了(le)包括氘(dao)代硫酸(suan)、氘(dao)代鹽酸(suan)、氟化(hua)氘(dao)、氘(dao)代硝(xiao)酸(suan)、氘(dao)氧(yang)化(hua)鉀、氘(dao)氧(yang)化(hua)鈉等一(yi)系列氘(dao)代酸(suan)堿試劑(ji)的(de)高(gao)效(xiao)制備。以該雙(shuang)極膜重水解離技(ji)(ji)術為(wei)核心的(de)氘(dao)代酸(suan)堿制備平(ping)臺，平(ping)均生(sheng)產成本僅為(wei)傳統工藝的(de)五分之(zhi)一(yi)。整個(ge)生(sheng)產過程無(wu)需(xu)使用強(qiang)腐蝕性試劑(ji)或重金(jin)屬催化(hua)劑(ji)，排放(fang)趨近于(yu)零，環境友好特(te)性突出，高(gao)度契(qi)合我(wo)國經濟社會(hui)全(quan)面綠色低碳轉(zhuan)型的(de)戰略方(fang)向。目前，該技(ji)(ji)術已(yi)成功(gong)完(wan)成3噸/年氘(dao)代酸(suan)堿的(de)中試放(fang)大(da)，為(wei)其(qi)工業化(hua)大(da)規(gui)模生(sheng)產奠(dian)定(ding)了(le)堅實基礎。
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
