氢同位素作为原料的氘氚核聚变能不仅是解决将来能源需求的一个重要途径，而且在国家安全领域也起到极其重要的作用，是我国能源的长期重大战略选择。此外，氢同位素在氘代有机试剂、氘代药物以及反应堆中子减速剂中也有重要应用。然而，氢同位素由于具有相同的形状、大小和非常接近的热力学性质，其分离提纯非常困难。目前，氢同位素的常用分离方法有低温精馏、电解、质子交换、离心分离、热扩散、色谱、金属氢化物吸附分离等。但这些分离方法的分离因子较小、能耗相对较高。
1995年，荷兰的Beenakker等研究者首次提出了动力学“量子筛分”（Quantum sieving effect）分离氢同位素的概念。当气体分子尺寸（σ）与微孔材料孔径（d）的差异（d-σ）与气体分子的德布罗意波长（λ）接近时，气体分子与微孔材料在低温条件下相互作用时产生的一种量子不确定性效应，表现为其表观体积胀大一个λ不确定度，从而使得其表观体积发生变化，产生类似于分子筛的筛分效应（见图1）。
图1.量子筛分原理示。a)量子筛效应；b)量子筛效应分离氢同位素。
近年来，基于量子筛分效应的氢同位素分离方法在氢同位素分离纯化方向上展示出良好的应用前景。目前，文献报道的氢同位素的量子筛分具有如下规律：i）量子筛分选择性随温度的降低而增大；ii）量子筛分选择性随材料孔径的减小而增大。但是，气体分子的德布罗意波长（λ）是温度的函数，即λ=λ(T)，是随着温度在变化的。因此，研究量子筛分随温度与材料孔径变化的规律时，温度对λ的影响关系（λ=λ(T)）的影响是不容忽视的。对于具有确定孔径大小的特定微孔材料，由于λ随着温度变化，存在一个温度区间，恰好满足σ+λH2＞d并且σ+λD2＜d，表现出更好的分离效果。有鉴于此，二所核能中心氘氚燃料循环团队筛选了三种金属有机框架材料——MOF-EIA、CPL-1和ZIF-8，从实验上揭示了量子筛分选择性随材料孔径与温度变化更加深入的规律。由于λ=λ(T)条件的制约，使得量子筛分选择性存在一种局部最优操作温度（见图2）。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A,2020,8,6319-6327（SCI1区，IF：10.8）。
图2. 量子筛分的局部最优操作温度
该项研究工作得到了国家磁约束聚变项目等研究项目的资助。该论文的第一作者是曹大伟，通讯作者是彭述明研究员；理论计算部分由北京化工大学阳庆元教授与天津工业大学仲崇立教授合作完成。
来源：聚变裂变混合能源研究中心
编辑：王晓丽 编审：何佳恒
监制：钱达志
