Separating hydrogen isotopologues via kinetic quantum sieving: Understanding important pore characteristics for an efficient separation

化学物理 选择性 渗透 化学 分子 同位素 动能 双原子分子 半径 材料科学 渗透 原子物理学 物理 经典力学 有机化学 生物化学 计算机安全 催化作用 计算机科学
作者
Massimo Mella,Andrea Tagliabue
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:81: 521-534 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2024.07.055
摘要

The potential performance of porous membranes in separating hydrogen isotopologues has been explored employing model systems and quanto-mechanical calculations including both zero-point energy and a numerically exact description of tunneling effects along the reaction coordinate. Membranes have been modeled as cylindrically pierced impenetrable wall, whereas diatomic molecules are described as dumbells composed of hard-sphere atoms. With the relative energetics of diatomics confined into cylindrical pores suggesting that differences in the adiabatic energy profiles between isotopologues for pore radii lower than 2.1 Å should favor transport of heavier species, we investigated the selectivity for the latter process when membranes are 2.0 Å thick. Chosen a pore radius, the results suggest that non-interacting pores represent the best compromise between selectivity and permeance, the addition of attraction between the membrane walls and molecular projectiles improving permeance while markedly depressing selectivity. A repulsive interaction with the pore inner surface, instead, reduced both properties. Finally, sieving molecules through a double membrane layer was found to marginally impact on the separation properties, which could be improved, at best, by 25% with a careful selection of the inter-membrane distance. Our results appear useful for the process of designing more effective sieving systems to separate di-deuterium molecules from its lighter counterparts.

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