Highly effective hydrogen isotope separation through dihydrogen bond on Cu(I)-exchanged zeolites well above liquid nitrogen temperature

化学 解吸 吸附 沸石 氢 动力学同位素效应 焓 无机化学 键能 分析化学(期刊) 催化作用 氘 选择性 物理化学 分子 有机化学 热力学 量子力学 物理
作者
Renjin Xiong,Linda Zhang,Peilong Li,Wenhua Luo,Tao Tang,Bingyun Ao,Ge Sang,Changan Chen,Xiayan Yan,Jinfan Chen,Michael Hirscher
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:391: 123485-123485 被引量:62
标识
DOI:10.1016/j.cej.2019.123485
摘要

Abstract Hydrogen isotope separation under moderate conditions with high selectivity remains a huge challenge due to the identical physicochemical properties of the isotopes. Here, we present zeolite materials with an excellent thermal stability and highly selective for hydrogen isotope separation through dihydrogen bond on ion-exchanged Cu(I) centers. Thermal desorption spectroscopy (TDS) measurements show that hydrogen isotope separation and enrichment can be carried out in a technologically favorable temperature range from liquid nitrogen temperature to near room temperature, and a D2/H2 selectivity of 24.9 for the Cu(I)-ZSM-5 zeolite is achieved, which is the highest selectivity value ever measured at 100 K. In addition, 99.6% of deuterium can be enriched through only three adsorption/desorption cycles from a mixture with a deuterium concentration of 2.5%. Structural characterization and density functional theory calculations reveal that the high hydrogen isotope selectivity of Cu(I)-ZSM-5 zeolite can be attributed to the strong chemical affinity through dihydrogen bond on Cu(I) sites with a large isotope effect in zero-point energy (ΔEZPE) and adsorption enthalpy (ΔH), resulting in hydrogen isotope separation and enrichment efficiently through low-cost materials in a technological scale.
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