Nouveau matériau pour une séparation efficace du deutérium à des températures élevées
Un nouveau matériau poreux capable de séparer le deutérium (D2) de l'hydrogène (H2) à une température de 120 K a été présenté. Cette température dépasse notamment le point de liquéfaction du gaz naturel, ce qui facilite les applications industrielles à grande échelle. Cette avancée constitue une voie intéressante pour la production économique deD2 en tirant parti de l'infrastructure existante des gazoducs de production de gaz naturel liquéfié (GNL). Les recherches menées par l'Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST), en Corée, le Helmholtz-Zentrum Berlin, le Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) et l'université Soongsil, en Corée, ont été publiées dans la revue Nature Communications.
La structure cristalline de Cu-ZIF-gis présente des canaux cylindriques droits le long de l'axe c. Les pores ont été calculés avec les surfaces de Connolly avec une sonde de 1,1 Å. Les pores ont été calculés avec les surfaces de Connolly avec une sonde de 1,1 Å. (Cu, orange ; N, bleu ; C, gris ; O, magenta ; H, blanc).
Minji Jung / Department of Chemistry, UNIST
Le deutérium, un isotope stable de l'hydrogène, joue un rôle essentiel dans l'amélioration de la durabilité et de l'efficacité lumineuse des semi-conducteurs et des dispositifs d'affichage, et sert de combustible de fusion dans la production d'énergie. Cependant, la demande croissante de D2 pose des problèmes de production, principalement en raison de la nécessité de le séparer de l'hydrogène par un processus de distillation cryogénique effectué à des températures aussi basses que 20 K (-253°C). Bien que la recherche ait exploré l'utilisation de cadres métallo-organiques (MOF) pour la séparation du D2, leur efficacité diminue de manière significative à des températures élevées.
Dans cette étude, l'équipe de recherche a présenté un cadre zéolithe-imidazolate à base de cuivre (Cu-ZIF-gis), qui présente des performances exceptionnelles de séparation du D2, même à 120 K (-153℃). Alors que les MOF typiques fonctionnent efficacement à environ 23 K (-250℃), leurs performances diminuent fortement lorsque les températures approchent de 77 K (-196℃). Cependant, le MOF à base de Cu nouvellement développé démontre un avantage significatif en maintenant son efficacité à des températures plus élevées.
Pour la première fois, l'équipe de recherche a identifié que la performance supérieure de ce matériau résulte de l'expansion accrue de son réseau à mesure que la température augmente. À des températures cryogéniques, les pores du MOF développé sont plus petits que les molécules de H2, ce qui empêche leur passage. Cependant, à mesure que la température augmente, le réseau se dilate, ce qui entraîne une augmentation de la taille des pores. Cet élargissement facilite le passage des gaz à travers les pores, permettant ainsi la séparation de H2 et D2 par l'effet de tamisage quantique, les molécules les plus lourdes traversant les pores plus efficacement à des températures plus basses.
Des expériences de confirmation in situ de diffraction des rayons X (XRD) et de diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS), menées à l'Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, en France, par l'équipe conjointe de l'UNIST, de HZB et de MLZ, ont confirmé l'expansion de la structure du réseau avec l'augmentation de la température, ainsi que la différence de diffusivité des isotopes, même à des températures élevées. En outre, l'analyse des expériences de spectroscopie de désorption thermique (TDS) a indiqué une séparation D2 stable à des températures élevées.
Le professeur Oh a fait remarquer que "le matériau étudié présente une consommation d'énergie nettement inférieure et une efficacité de séparation accrue par rapport à la plupart des méthodes traditionnelles, qui fonctionnent à des températures extrêmement basses". Le Dr Jitae Park a ajouté : "Ces résultats peuvent être appliqués pour développer des technologies durables de séparation des isotopes en utilisant l'infrastructure cryogénique existante du GNL, ce qui souligne son impact industriel potentiel."
Le Dr Margarita Russina a souligné le rôle crucial de QENS dans cette étude, en déclarant : "Avec QENS, nous pouvons sonder directement le mouvement moléculaire de H2 et D2 dans les MOF, ce qui nous permet d'obtenir des informations clés sur leur comportement de diffusion et leurs interactions avec les matériaux poreux. Le confinement plus important de D2 par rapport à H₂, un phénomène strictement nanométrique, entraîne des effets remarquables sur les propriétés macroscopiques, constituant la base du développement d'une nouvelle génération de matériaux pour une séparation isotopique plus efficace."
L'équipe de recherche, dirigée conjointement par le professeur Hyunchul Oh du département de chimie de l'UNIST, le professeur Jaheon Kim de l'université Soongsil, le docteur Jitae Park du Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) de l'université technique de Munich (TUM) et le docteur Margarita Russina du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) à Berlin, en Allemagne, a annoncé cette avancée le 19 mars 2025. Minji Jung, Jaewoo Park et Raeesh Muhammad, du département de chimie de l'UNIST, ont également participé à l'étude en tant que coauteurs. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Nature Communications le 27 février 2025. Cette étude a été soutenue par la National Research Foundation (NRF) de Corée et le Ministry of Science and ICT (MSIT), ainsi que par l'Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, en France, pour l'allocation de temps de faisceau.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
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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