Deuterium effizient abtrennen
Kupferbasiertes Material ermöglicht die Produktion von Deuterium bei deutlich höheren Temperaturen als vorher.
Ein neuartiges poröses Material kann Deuterium bei einer Temperatur von 120 Kelvin von Wasserstoff trennen. Dabei übersteigt diese Temperatur den Verflüssigungspunkt von Erdgas deutlich, was großtechnische Anwendungen erleichtert, zum Beispiel für die wirtschaftliche Produktion von Deuterium über die Infrastruktur von Pipelines für Flüssigerdgas (LNG). An der Forschungsarbeit sind Teams aus dem Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST), Korea, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) und der Soongsil University, Korea, beteiligt.
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In dieser Studie stellte das Forschungsteam ein kupferbasiertes Zeolith-Imidazolat-Gerüst (Cu-ZIF-gis) vor, das selbst bei 120 Kelvin eine außergewöhnliche D2-Trennleistung aufweist. Während typische MOFs bei etwa 23 Kelvin effektiv arbeiten, nimmt ihre Leistung stark ab, wenn sich die Temperaturen 77 Kelvin nähern. Das neu entwickelte Kupfer-basierte MOF weist jedoch einen erheblichen Vorteil bei der Aufrechterhaltung seiner Wirksamkeit bei höheren Temperaturen auf.
So stellte das Team fest, dass die überlegene Leistung dieses Materials auf die erhöhte Ausdehnung seines Gitters bei steigender Temperatur zurückzuführen ist. Bei kryogenen Temperaturen sind die Poren des entwickelten MOF kleiner als H2-Moleküle, wodurch deren Durchgang verhindert wird. Mit steigender Temperatur dehnt sich das Gitter jedoch aus, was zu einer Vergrößerung der Poren führt. Diese Vergrößerung erleichtert den Durchgang von Gasen durch die Poren und ermöglicht so die Trennung von H2 und D2 durch den Quantensiebeffekt, bei dem schwerere Moleküle die Poren bei niedrigeren Temperaturen effizienter durchqueren.
In-situ-Röntgenbeugungs- (XRD) und quasi-elastische Neutronenstreuexperimente (QENS), die am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich, von einem gemeinsamen Team von UNIST, HZB und MLZ durchgeführt wurden, bestätigten die Ausdehnung des Gittergerüsts mit steigender Temperatur sowie den Unterschied in der Isotopendiffusionsfähigkeit auch bei erhöhten Temperaturen. Darüber hinaus deutete die Analyse der Thermodesorptionsspektroskopie (TDS)-Experimente auf eine stabile D2-Trennung bei erhöhten Temperaturen hin.
Professor Oh bemerkte: „Das untersuchte Material weist im Vergleich zu den meisten herkömmlichen Methoden, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, einen deutlich geringeren Energieverbrauch und eine verbesserte Trenneffizienz auf.“ Jitae Park fügte hinzu: „Diese Erkenntnisse können zur Entwicklung nachhaltiger Isotopentrenntechnologien unter Verwendung der vorhandenen kryogenen LNG-Infrastruktur genutzt werden, was die potenzielle industrielle Bedeutung unterstreicht.“
Margarita Russina hob die entscheidende Rolle von QENS in dieser Studie hervor und erklärte: „Mit QENS können wir die molekulare Bewegung von H2 und D2 in MOFs direkt untersuchen und so wichtige Erkenntnisse über ihr Diffusionsverhalten und ihre Wechselwirkungen mit porösen Materialien gewinnen. Die beobachtete stärkere Einschließung von D2 im Vergleich zu H₂, ein rein nanoskaliges Phänomen, führt zu bemerkenswerten Auswirkungen auf die makroskopischen Eigenschaften und bildet die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation von Materialien für eine effizientere Isotopentrennung.“
HZB / DE
