Uso De Un Compuesto De Estructura Orgánico Metálico Funcionalizado Para Filtrar Hidrógeno Pesado

Los investigadores filtran el deuterio y el tritio utilizando un compuesto de estructura orgánico metálico funcionalizado

Depósito de hidrógeno pesado: las moléculas de los isótopos de hidrógeno pesado deuterio y tritio se unen preferentemente a átomos de cobre en un compuesto de estructura organometálico. Por lo tanto, los átomos de metal se representan simbólicamente como capas en esta imagen.

Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck ha desarrollado un compuesto de estructura organometálico que puede usarse para separar el deuterio y el tritio del hidrógeno normal de manera más eficiente que los métodos anteriores.

El deuterio y el tritio son sustancias con futuro, pero son raras. Los isótopos pesados ​​del hidrógeno no solo tienen numerosas aplicaciones científicas, sino que también podrían contribuir a la combinación energética del mañana como combustibles para la fusión nuclear. El deuterio también está contenido en algunos medicamentos que actualmente se encuentran bajo aprobación regulatoria en los EE. UU. Sin embargo, el proceso de filtración de deuterio de la mezcla isotópica natural de hidrógeno es actualmente difícil y caro. Los científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido, la Universidad de Leipzig, la Universidad Jacobs de Bremen, la Universidad de Augsburgo y el Laboratorio Nacional Oak Ridge (EE. UU.) Pueden solucionar este problema. Han presentado un compuesto de estructura organometálico que puede usarse para separar los dos isótopos del hidrógeno normal de manera más eficiente que los métodos anteriores.

En los medicamentos, el deuterio tiene un efecto de prolongación de la vida, aunque inicialmente solo para el principio activo en sí. El sistema metabólico humano descompone las moléculas que transportan el isótopo deuterio, que es dos veces más pesado que el hidrógeno, más lentamente que la misma sustancia que incorpora hidrógeno normal. Por lo tanto, los medicamentos que contienen deuterio se pueden administrar en dosis más pequeñas, lo que significa que sus efectos secundarios también se reducen. El deuterio, como el tritio, el isótopo de hidrógeno radiactivo aún más pesado, también desempeña un papel en la fusión nuclear. Este proceso, que hace brillar a las estrellas, podría algún día alimentar plantas de energía en las que los núcleos atómicos se fusionen, liberando grandes cantidades de energía en el proceso.

Mientras que el deuterio solo se ha utilizado en productos farmacéuticos durante un corto tiempo y su uso potencial en plantas de energía aún se encuentra en el futuro, se ha utilizado durante mucho tiempo en la ciencia, por ejemplo, para rastrear el camino de los nutrientes a través del sistema metabólico. “El deuterio y, hasta cierto punto, el tritio son útiles en algunas aplicaciones”, dice Michael Hirscher, quien, como líder de un grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, ha jugado un papel clave en la investigación. “Hasta la fecha, sin embargo, ha sido muy difícil separar el deuterio del hidrógeno ligero”, dice.

Un filtro de deuterio hecho de una estructura organometálica ahorra energía

El deuterio se obtiene del agua pesada, que se encuentra en el agua natural a una concentración de solo 15 partes por mil. El agua pesada se aísla primero mediante una combinación de métodos químicos y físicos, como la destilación, para obtener gas deuterio. Todo el proceso es tan complejo y consume mucha energía que un gramo de deuterio con una pureza del 99,8 por ciento cuesta alrededor de 100 euros, lo que hace que el hermano pesado del hidrógeno sea tres veces más valioso que el oro, aunque el deuterio es más de 300 veces más abundante en los océanos. y la corteza terrestre más que el oro.

“Nuestro compuesto de estructura organometálico debería hacer que sea más fácil y menos intensivo en energía aislar el deuterio de la mezcla natural de isótopos de hidrógeno”, dice Dirk Volkmer, cuyos colegas en el Departamento de Química del Estado Sólido de la Universidad de Augsburg sintetizaron el material. En un marco metal-orgánico, o MOF para abreviar, los iones metálicos están unidos por moléculas orgánicas para formar un cristal con poros relativamente grandes. Estas sustancias pueden absorber grandes cantidades de gas en relación con su peso.

En el compuesto que el equipo de investigación propone para su uso como filtro de deuterio y tritio, los iones de zinc y cobre forman los nodos metálicos. Ya en 2012, los científicos presentaron un compuesto de estructura organometálico que solo contiene zinc como componente metálico. Fue capaz de filtrar el deuterio, pero solo a una temperatura de menos 223 grados Celsius .

Con cobre en lugar de zinc, el filtro se puede enfriar con nitrógeno líquido.

Por lo tanto, los químicos con sede en Augsburgo reemplazaron algunos de los átomos de zinc con átomos de cobre, cuyas capas de electrones filtran el deuterio de manera más selectiva y lo hacen a temperaturas más altas. Michael Hirscher y su personal del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge confirmaron esta propiedad en varias pruebas. Entre otras cosas, determinaron las cantidades de deuterio e hidrógeno normal que el material absorbe de una mezcla de partes iguales de los dos isótopos a diversas temperaturas. Descubrieron que a menos 173 grados Celsius almacena doce veces más deuterio. “A esta temperatura, el proceso de separación se puede enfriar con nitrógeno líquido, lo que lo hace más rentable que los métodos que solo funcionan a menos 200 grados”, dice Michael Hirscher.

El equipo de químicos teóricos encabezado por Thomas Heine, quien recientemente asumió una cátedra en la Universidad de Leipzig después de haber impartido clases en la Universidad Jacobs en Bremen, ayudó a interpretar los datos recopilados. “Nuestros cálculos encajaron las distintas partes del rompecabezas experimental en una imagen coherente”, dice el científico.

La estructura organometálica tiene que absorber aún más gas

Los datos para el deuterio y el hidrógeno normal mostraron que las predicciones de los cálculos coincidían muy bien con los resultados experimentales. Por lo tanto, los teóricos confían en que esos cálculos, que no pueden probarse experimentalmente fácilmente, son igualmente válidos. “Nuestros cálculos para el tritio probablemente también serían correctos. Pero esto solo puede confirmarse experimentalmente bajo estrictos procedimientos de seguridad ”, dice Thomas Heine.

El material también absorbe el isótopo de hidrógeno radiactivo de manera muy eficiente a partir de una mezcla de isótopos. Esa podría ser una propiedad útil en una aplicación particular en la que el objetivo no es obtener el isótopo sino deshacerse de él. El agua de las centrales eléctricas, incluida la que inundó los reactores de Fukushima en el desastre de 2011, contiene tritio. El nuevo compuesto de estructura organometálico puede proporcionar una forma de eliminar estos desechos radiactivos, aunque el agua contaminada radiactivamente primero debe someterse a electrólisis para convertir las moléculas de agua que contienen tritio en hidrógeno gaseoso que contiene tritio. Sin embargo, antes de que el tritio y el deuterio puedan filtrarse fuera de la mezcla de isótopos utilizando cristales de poros grandes en la práctica, la técnica primero debe refinarse, y no menos importante, para que absorba más gas.

Los neutrones son ideales para estudiar la adsorción de hidrógeno molecular

La dispersión de neutrones es una herramienta muy sensible para estudiar el movimiento del hidrógeno, el neutrón también distingue las señales provenientes de diferentes isótopos como el hidrógeno y el deuterio. “En el marco orgánico metálico, las moléculas de hidrógeno se adsorben en diferentes sitios, al rastrear las poblaciones relativas de hidrógeno y deuterio en cada sitio, los neutrones aclararon claramente el mecanismo de separación isotópica”. Timmy Ramirez-Cuesta, de la fuente de neutrones de espalación del Laboratorio Nacional Oak Ridge, dice. La investigación hizo uso del espectrómetro VISION de ORNL, el espectrómetro de neutrones químicos más poderoso del mundo.

Publicación: I. Weinrauch, et al., “Captura de isótopos de hidrógeno pesados ​​en un marco metal-orgánico con sitios activos de Cu (I)”, Nature Communications, 28 de febrero de 2017; DOI: 10.1038 / ncomms14496

Añadir un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *