Ученые установили рекорд по разделению изотопов водорода с помощью нового материала

Иллюстрация избирательной адсорбции изотопов в металлоорганическом каркасе [Mn(ta)₂]. Молекулы водорода (синие) и дейтерия (красные) по-разному взаимодействуют с двумя типами адсорбционных центров, вызывая структурное расширение, которое и обеспечивает процесс разделения. Автор: Линда Чжан.

Исследовательская группа под руководством Линды Чжан из Университета Тохоку разработала новый металлоорганический каркас (MOF), который обеспечивает рекордное разделение изотопов водорода с селективностью D₂/H₂ 32,5 при температуре 60 К (-213°C).

Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, представляют собой значительный прорыв в создании энергоэффективных методов производства дейтерия.

Дейтерий — стабильный изотоп водорода, критически важный для ядерных реакторов термоядерного синтеза, производства полупроводников, оптических волокон и фармацевтических препаратов. Однако его химическое сходство с обычным водородом делает разделение изотопов крайне сложной задачей. Традиционные методы, такие как криогенная дистилляция, работают при -250°C и требуют огромных энергозатрат.

Новый MOF на основе триазолатного лиганда и ионов марганца демонстрирует исключительную селективность благодаря уникальному механизму изотопологовой динамики. Материал по-разному реагирует на водород и дейтерий: при контакте с газовой смесью, содержащей менее 5% дейтерия (естественная концентрация), он концентрирует его до 75% за один цикл разделения.

Эксперименты с нейтронной дифракцией, проведенные в ANSTO (Австралия) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (США), выявили два типа адсорбционных центров в материале. При низких температурах водород сначала заполняет один тип центров, а затем мигрирует во второй, тогда как дейтерий одновременно занимает оба. Это неожиданное поведение связано с различиями во взаимодействии изотопов с кристаллической решеткой, вызывающими ее расширение.

«Эта работа демонстрирует, как тонко настроенная динамика "хозяин-гость" на атомном уровне может быть использована для практических применений», — отметил Майкл Хиршер из Института Макса Планка (также сотрудник WPI-AIMR).

Материал отличается не только высокой эффективностью, но и практичностью: он создан из коммерчески доступных лигандов и может быть адаптирован для разных металлов. Это открывает перспективы для масштабирования технологии.

Исследование стало результатом международного сотрудничества ученых из Японии, Германии, Австралии и США, объединивших знания в области химии материалов, физики конденсированного состояния и компьютерного моделирования.

Подробнее: Linda Zhang et al, Isotopologue-induced structural dynamics of a triazolate metal-organic framework for efficient hydrogen isotope separation, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61107-3