Sử dụng hợp chất khung kim loại-hữu cơ để lọc hydro đồng vị nặng

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck đã phát triển được một hợp chất khung kim loại-hữu hơ có thể được sử dụng để tách đơteri và triti từ hydro bình thường hiệu quả hơn các phương pháp trước đây.

Đơteri và triti là các chất của tương lai nhưng chúng rất hiếm. Các đồng vị nặng của hydro không chỉ có nhiều ứng dụng trong khoa học mà còn có thể đóng góp cho hỗn hợp năng lượng của tương lai như làm nhiên liệu tổng hợp hạt nhân. Đơteri cũng có trong một số loại thuốc, hiện đang được thông qua về mặt pháp lý ở Hoa Kỳ. Tuy nhiên, quá trình lọc đơteri ra khỏi hỗn hợp đồng vị tự nhiên của hydro hiện nay vừa khó khăn và tốn kém. Các nhà khoa học tại Viện hệ thống thông minh Max Planck, Viện Nghiên cứu trạng thái rắn Max Planck, trường Đại học Leipzig, Đại học Bremen Jacobs, Đại học Augsburg và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Hoa Kỳ) đã khắc phục vấn đề này bằng cách tạo ra một hợp chất khung kim loại - hữu cơ để tách hai đồng vị hydro bình thường hiệu quả hơn các phương pháp trước đây.

Trong các loại thuốc, đơteri gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống. Hệ thống trao đổi chất của con người phá vỡ các phân tử chứa đồng vị đơteri, nặng gấp 2 lần hydro, chậm hơn so với một chất tương tự kết hợp với hydro bình thường. Do đó, thuốc chứa đơteri có thể được dùng với liều lượng nhỏ hơn, có nghĩa là các tác dụng phụ cũng giảm. Đơteri, như triti đồng vị hydro phóng xạ nặng hơn, cũng góp phần vào việc tổng hợp hạt nhân. Quá trình này làm cho ngôi sao tỏa sáng, một ngày nào đó có thể cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân, trong đó, hạt nhân nguyên tử hợp nhất với nhau giải phóng khối lượng lớn năng lượng trong quá trình này.

Trong khi đó, đơteri chỉ được sử dụng trong dược phẩm trong một thời gian ngắn và có tiềm năng được sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai, nhưng từ lâu đã được sử dụng trong khoa học, ví dụ để theo dõi đường đi của các chất dinh dưỡng thông qua hệ thống trao đổi chất. Michael Hirscher, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: "Đơteri và triti có ích trong một số ứng dụng. Tuy nhiên, đến nay, rất khó tách đơteri từ hydro nhẹ".

Bộ lọc đơteri làm từ một khung kim loại - hữu cơ tiết kiệm năng lượng

Đơteri thu được từ nước nặng, xuất hiện trong nước tự nhiên ở nồng độ chỉ 15 phần nghìn. Đầu tiên, nước nặng được tách ra bằng cách kết hợp các phương pháp hóa học và vật lý như chưng cất để thu khí đơteri. Toàn bộ quá trình này rất phức tạp và tốn nhiều năng lượng, trong đó 1g đơteri với độ tinh khiết 99,8% có chi phí khoảng 100 Euro.

Dirk Volkmer, đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: "Hợp chất khung kim loại - hữu cơ của chúng tôi làm cho việc tách đơteri khỏi hỗn hợp tự nhiên của các đồng vị hydro trở nên dễ dàng và tiêu tốn ít năng lượng”. Trong một khung kim loại - hữu cơ hay MOF ngắn, các ion kim loại được liên kết bởi các phân tử hữu cơ để tạo thành một tinh thể với các lỗ tương đối lớn. Các chất này có thể hấp thụ một lượng lớn khí tùy theo trọng lượng của chúng.

Trong hợp chất mà nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng làm bộ lọc đơteri và triti, các ion kẽm và đồng hình thành các nút kim loại. Từ năm 2012, các nhà khoa học đã tạo ra một hợp chất khung kim loại - hữu cơ chỉ chứa kẽm như thành phần kim loại. Khung này có thể lọc đơteri, nhưng chỉ ở nhiệt độ - 223^oC.

Sử dụng đồng thay cho kẽm, bộ lọc có thể được làm lạnh bằng nitơ lỏngCác nhà hóa học tại Đại học Augsburg đã thay thế một số nguyên tử kẽm bằng các nguyên tử đồng, trong đó, vỏ của điện tử có khả năng lọc có chọn lọc đơteri ở nhiệt độ cao. Michael Hirscher và cộng sự của ông tại Viện Hệ thống thông minh Max Planck và các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã xác nhận tính chất này trong nhiều thử nghiệm khác nhau. Trong đó, họ đã xác định được số lượng đơteri và hydro bình thường mà vật liệu hấp thụ từ hỗn hợp các thành phần bằng nhau của hai đồng vị ở nhiệt độ khác nhau. Kết quả là ở nhiệt độ - 173^oC, khả năng tích trữ của nó cao gấp 12 lần đơteri hơn. Ở mức nhiệt này, quá trình tách có thể được làm lạnh bằng nitơ lỏng, khiến nó hiệu quả hơn so với phương pháp chỉ hoạt động ở - 200^oC.

Khung kim loại - hữu cơ có thể hấp thụ thậm chí nhiều khí hơn

Dữ liệu về đơteri và hydro bình thường đã cho thấy các tính toán như dự báo thống nhất với các kết quả thí nghiệm. Do đó, các nhà lý thuyết tin rằng những tính toán đó không thể dễ dàng được kiểm tra bằng thực nghiệm, đúng ra là phù hợp. "Các tính toán của chúng tôi cho triti chắc chắn là rất đúng. Nhưng điều này chỉ có thể được xác nhận bằng thực nghiệm theo các quy trình an toàn nghiêm ngặt", Thomas Heine nói.

Vật liệu còn hấp thụ cả đồng vị hydro phóng xạ rất hiệu quả từ hỗn hợp đồng vị. Đó có thể là một tính chất hữu ích cho một ứng dụng cụ thể, trong đó mục đích là không hấp thụ mà là loại bỏ nó. Nước từ các nhà máy điện hạt nhân - bao gồm nước làm ngập các lò phản ứng Fukushima trong thảm họa 2011 chứa triti. Hợp chất khung kim loại - hữu cơ mới có thể cung cấp một phương thức để xử lý chất thải phóng xạ này, mặc dù nước nhiễm phóng xạ đầu tiên phải trải qua quá trình điện phân để chuyển đổi triti - có chứa các phân tử nước thành khí hydro chứa triti. Tuy nhiên, trước khi triti và đơteri có thể được lọc khỏi hỗn hợp đồng vị bằng cách sử dụng các tinh thể lỗ lớn, thì kỹ thuật này ít ra cần được tinh chỉnh để hấp thụ nhiều khí.

Neutron lý tưởng để nghiên cứu khả năng hấp phụ của hydro phân tử

Tán xạ Neutron là một công cụ rất nhạy cảm để nghiên cứu chuyển động của hydro, neutron cũng phân biệt các tín hiệu bắt nguồn từ những đồng vị khác nhau như hydro và đơteri. "Trong khung hữu cơ - kim loại, các phân tử hydro hấp phụ trên nhiều vị trí khác nhay bằng cách theo dõi các cụm hydro và đơteri ở mỗi vị trí, neutron đã làm sáng tỏ các cơ chế tách đồng vị", Timmy Ramirez-Cuesta tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge nói. Nghiên cứu đã sử dụng quang phổ tầm nhìn của phòng thí nghiệm ORNL, loại máy quang phổ neutron hóa học mạnh nhất thế giới.

Theo Vista.gov.vn