一种新型多孔材料被介绍，能够在120 K的温度下将氘（D2）从氢（H2）中分离。值得注意的是，这一温度超过了天然气的液化点，从而促进了大规模工业应用。这一进展为利用现有的液化天然气（LNG）生产管道以经济方式生产D2提供了一个有吸引力的途径。
这项研究由韩国浦项科技大学（UNIST）、德国柏林霍姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）、海因茨·迈耶·莱布尼茨中心（MLZ）以及韩国崇实大学进行，并已发表在《自然通讯》上。
氘是一种氢的稳定同位素，在提升半导体和显示设备的耐用性和光效方面发挥关键作用，同时也作为能源生产中的聚变燃料。然而，D2的需求增加带来了生产上的挑战，主要是由于需要通过在20 K（-253°C）低温下进行的低温蒸馏工艺来与氢分离。尽管研究已经探讨了使用金属有机框架（MOFs）进行D2分离，但它们在较高温度下的效率显著下降。
在这项研究中，研究团队提出了一种基于铜的沸石咪唑酸盐框架（Cu-ZIF-gis），该材料即使在120 K（-153℃）时也显示出出色的D2分离性能。典型的MOFs在约23 K（-250℃）时有效运行，但当温度接近77 K（-196℃）时，其性能急剧下降。然而，新开发的基于铜的MOF在较高温度下保持有效性方面显示出显著优势。
研究团队首次确定，该材料的优越性能源于随着温度升高其晶格的扩展。在低温条件下，开发的MOF的孔隙小于H2分子，从而抑制其通过。然而，随着温度的升高，晶格扩展，孔隙尺寸增大。这种扩大促进了气体通过孔隙的通行，从而通过量子筛分效应实现H2和D2的分离，在较低温度下，较重的分子更有效地穿越孔隙。
在法国格勒诺布尔的劳厄-朗厄温姆研究所（Institut Laue-Langevin，ILL），UNIST、HZB和MLZ的联合团队进行的确认性原位X射线衍射（XRD）和准弹性中子散射（QENS）实验证实，随着温度的升高，晶格框架扩展，以及即使在高温下同位素的扩散性差异。此外，热脱附光谱（TDS）实验的分析表明，在高温下D2分离保持稳定。
Oh教授表示：“所报告的材料与大多数传统方法相比，具有显著较低的能耗和更高的分离效率，后者通常在极低的温度下工作。”Dr. Jitae Park进一步指出：“这些发现可以应用于利用现有的LNG低温基础设施开发可持续的同位素分离技术，突显出其潜在的工业影响。”
Dr. Margarita Russina强调了QENS在这项研究中的关键作用，表示：“通过QENS，我们可以直接探测MOF中H2和D2的分子运动，从而获得关于其扩散行为和与多孔材料相互作用的关键见解。观察到的D2相对于H2的更强限制是严格的纳米级现象，导致在宏观性质上产生显著影响，为开发新一代更高效的同位素分离材料奠定基础。”
这项研究团队由UNIST化学系的Oh教授、崇实大学的Kim教授、慕尼黑工业大学（TUM）海因茨·迈耶·莱布尼茨中心（MLZ）的Park博士，以及德国柏林霍姆霍兹中心（HZB）的Russina博士共同领导，并于2025年3月19日宣布这一进展。该研究还涉及UNIST化学系的Minji Jung、Jaewoo Park和Raeesh Muhammad，他们是共同第一作者。这项研究的结果已于2025年2月27日在《自然通讯》上发表。该研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）和科学与信息通信部（MSIT）的支持，以及法国格勒诺布尔的劳厄-朗厄温姆研究所（ILL）提供的束流时间分配。
