Neues Material für die effiziente Trennung von Deuterium untersucht

Ein internationales Forscherteam hat ein neues Material untersucht, das für die Abtrennung von Deuterium aus Wasserstoff eingesetzt werden könnte. Deuterium wird zum Beispiel als Brennstoff in Fusionsreaktoren benötigt.

Bild1 nat-comm Die Kristallstruktur von Cu-ZIF-gis zeigt zylindrische, gerade Kanäle entlang der c-Achse31. Die Poren wurden mit Connolly-Oberflächen mit einer Sonde von 1,1 Å berechnet. (Cu, orange; N, blau; C, grau; O, magenta; H, weiß). © Minji Jung (Department of Chemistry, UNIST)

Die Kristallstruktur von Cu-ZIF-gis zeigt zylindrische, gerade Kanäle entlang der c-Achse31. Die Poren wurden mit Connolly-Oberflächen mit einer Sonde von 1,1 Å berechnet. (Cu, orange; N, blau; C, grau; O, magenta; H, weiß). © Minji Jung (Department of Chemistry, UNIST)

Ein neuartiges poröses Material kann Deuterium bei einer Temperatur von 120 K 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).

Forschungsteam aus Korea, Deutschland, Frankreich und USA
Das Forschungsteam wurde gemeinsam von Professor Hyunchul Oh vom Department of Chemistry der UNIST, Professor Jaheon Kim von der Soongsil University, Dr. Jitae Park vom Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) der Technischen Universität München (TUM) und Dr. Margarita Russina vom Helmholtz-Zentrum Berlin geleitet. An der Studie waren auch Minji Jung, Jaewoo Park und Raeesh Muhammad vom Fachbereich Chemie der UNIST beteiligt, die als Ko-Erstautoren fungierten.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden am 27. Februar 2025 in Nature Communications veröffentlicht. Diese Studie wurde von der National Research Foundation (NRF) of Korea und dem Ministry of Science and ICT sowie dem Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, durch die Bereitstellung von Strahlzeit unterstützt.

D2 von Wasserstoff nur schwer zu trennen
Deuterium (D2), ein stabiles Isotop des Wasserstoffs, spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Haltbarkeit und Lichtausbeute von Halbleitern und Anzeigegeräten. Die steigende Nachfrage nach D2 stellt jedoch eine Herausforderung für die Produktion dar, vor allem aufgrund der Notwendigkeit, es durch einen kryogenen Destillationsprozess bei Temperaturen von bis zu 20 K vom Wasserstoff zu trennen. Obwohl die Verwendung von metallorganischen Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs) für die D2-Trennung erforscht wurde, nimmt ihre Effizienz bei höheren Temperaturen erheblich ab.

Bei höheren Temperaturen immer noch wirksam
In dieser Studie stellte das Forschungsteam ein kupferbasiertes Zeolith-Imidazolat-Gerüst (Cu-ZIF-gis) vor, das selbst bei 120 K eine außergewöhnliche D2-Trennleistung aufweist. Während typische MOFs bei etwa 23 K effektiv arbeiten, nimmt ihre Leistung stark ab, wenn sich die Temperaturen 77 K nähern. Das neu entwickelte MOF auf Cu-Basis weist jedoch einen erheblichen Vorteil auf, da es seine Wirksamkeit auch bei höheren Temperaturen beibehält.

6030-0127 Dr. Jitae Park, Co-Autor der Publikation, ist Instrumentwissenschaftler am Dreiachsenspektrometer PUMA des MLZ. © Wolfgang Filser, TUM

Dr. Jitae Park, Co-Autor der Publikation, ist Instrumentwissenschaftler am Dreiachsenspektrometer PUMA des MLZ. © Wolfgang Filser, TUM

Größere Poren bei steigender Temperatur
So stellte das Team fest, dass die überlegene Leistung dieses Materials auf die erhöhte Ausdehnung seines Gitters bei steigender Temperatur zurückzuführen ist. Bei Tiefsttemperaturen 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.

Röntgen- und Neutronenmessungen bestätigen Ergebnisse
In-situ-Röntgenbeugungs- (XRD) und quasi-elastische Neutronenstreuexperimente (QENS), die am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich, von einem 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.

„Deutlich geringerer Energieverbrauch“
Professor Oh sagte: „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.“ Dr. 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.“

„Effizientere Isotopentrennung“
Dr. 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.“

Originaltext: Ulsan National Institute of Science and Technology