Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials

同位素 扩散 吸附 水蒸气 化学 多孔介质 化学物理 分子 多孔性 材料科学 热力学 物理化学 有机化学 物理
作者
Yan Su,Ken‐ichi Otake,Jia‐Jia Zheng,Satoshi Horike,Susumu Kitagawa,Cheng Gu
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:611 (7935): 289-294 被引量:272
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05310-y
摘要

The discovery of a method to separate isotopologues, molecular entities that differ in only isotopic composition1, is fundamentally and technologically essential but remains challenging2,3. Water isotopologues, which are very important in biological processes, industry, medical care, etc. are among the most difficult isotopologue pairs to separate because of their very similar physicochemical properties and chemical exchange equilibrium. Herein, we report efficient separation of water isotopologues at room temperature by constructing two porous coordination polymers (PCPs, or metal–organic frameworks) in which flip-flop molecular motions within the frameworks provide diffusion-regulatory functionality. Guest traffic is regulated by the local motions of dynamic gates on contracted pore apertures, thereby amplifying the slight differences in the diffusion rates of water isotopologues. Significant temperature-responsive adsorption occurs on both PCPs: H2O vapour is preferentially adsorbed into the PCPs, with substantially increased uptake compared to that of D2O vapour, facilitating kinetics-based vapour separation of H2O/HDO/D2O ternary mixtures with high H2O separation factors of around 210 at room temperature.
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