【强担当 创业绩】天津科技大学化工与材料学院在同位素分离替代领域研究取得新进展

能源是文明发展的基础，模拟太阳工作原理的“可控核聚变”由于其高效和清洁成为人类解决终极能源的理想方式。而其所使用的原料氢的两个同位素，氘和氚，需要分离纯化。在电场作用下石墨烯量子筛分效应表现出优异的氢同位素分离系数，成为氢同位素分离有效方法之一。

近日，天津科技大学化工与材料学院工业结晶研究团队杨立斌等老师针对氢同位素渗透2D石墨烯量子筛分实验现象提出了质子翻转渗透穿越机理，基于第一性原理计算方法计算获得相应的分离系数接近文献报道的实验结果。相应的成果《Selective penetration mechanism of hydrogen isotope through graphene membrane》发表在国际材料期刊《Carbon》。我校为第一单位，2020级硕士生杨丽娟为第一作者，杨立斌为通讯作者。

随着能源危机的出现，寻找新能源成了一个亟待解决的重大课题，而寻找一种既无穷无尽，又清洁环保的能源更是迫在眉睫。可控核聚变的提出让人类离“人造太阳”更进一步，但所需的原料氘原子和氚原子在地球上的天然丰度很低，因此氢同位素尤其是氘和氚的分离纯化显得尤为重要。传统氢同位素分离技术如精馏、催化交换等存在低效、高能耗等问题，但最新发展起来的基于二维材料的氢同位素分离不仅克服能耗高的问题，而且还具有分离系数高、能耗低和适用范围广等优点。深入理解其渗透过程与分离机制可为新型二维材料的开发提供理论指导。本研究建立的质子异环翻转穿越机理模型可准确描述氢同位素离子渗透穿越2D石墨烯过程，基于零点能的差异计算得到的同位素分离系数接近文献的实验结果。质子渗透穿越机制模型化为预测新型二维材料量子筛分效应提供了新的思路。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.08.036