Najlżejszy ze wszystkich pierwiastków, wodór, jest bardzo pożądany ze względu na jego obiecującą rolę jako zrównoważonego zasobu w transformacji energetycznej. Zespół z Uniwersytetu w Lipsku i TU Dresden, w ramach grupy badawczej Hydrogen Isotopes 1,2,3H Research Training Group, dokonał ważnego przełomu w wydajnym i opłacalnym dostarczaniu izotopów. Są to trzy formy, w których wodór występuje w naturze — jako protium, deuter lub tryt. Międzynarodowy zespół badaczy wykonał duży krok w kierunku realizacji swojego marzenia o rozdzielaniu izotopów wodoru w temperaturze pokojowej przy niskich kosztach. Odkrycia zespołu zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie Nauka chemiczna.
Protium, czyli wodór-1, jest najpowszechniejszą formą wodoru. Deuter, znany jako ciężki wodór, odgrywa coraz ważniejszą rolę, na przykład w rozwoju bardziej stabilnych i skutecznych leków. Mieszanina deuteru i trytu, „superciężki” wodór, służy jako paliwo do syntezy jądrowej, zrównoważonego źródła energii przyszłości. Jednym z nierozwiązanych problemów w badaniach nad wodorem jest to, jak dostarczać te izotopy w wysoce czystej formie w wydajny i opłacalny sposób, ponieważ mają one bardzo podobne właściwości fizyczne. Obecne procesy separacji izotopów nie są zbyt wydajne i zużywają ogromne ilości energii.
„Od prawie 15 lat wiadomo, że porowate struktury metaloorganiczne można w zasadzie stosować do oczyszczania i rozdzielania izotopów wodoru. Jednak było to możliwe tylko w bardzo niskich temperaturach, około minus 200 stopni Celsjusza — warunkach, których wdrożenie na skalę przemysłową jest bardzo kosztowne” — mówi profesor Knut Asmis z Instytutu Chemii Fizycznej i Teoretycznej Wilhelma Ostwalda na Uniwersytecie w Lipsku i rzecznik Research Training Group. Dodaje, że mechanizm rozdzielania opiera się na silnie preferowanej adsorpcji jednego z izotopów obecnych na jednym z wolnych centrów metalicznych w porowatym ciele stałym. Adsorpcja to proces, w którym atomy, jony lub cząsteczki z gazu lub cieczy przylegają do stałej, często porowatej, powierzchni.
Naukowcy doktoranccy 1,2,3Grupa szkoleniowa H Research Training Group Elvira Dongmo, Shabnam Haque i Florian Kreuter, którzy są członkami jednej z grup badawczych kierowanych przez profesora Thomasa Heine’a (TU Dresden), profesora Knuta Asmisa i profesora Ralfa Tonnera-Zecha (obaj Uniwersytet w Lipsku), uzyskali teraz głębszy wgląd w wpływ środowiska szkieletowego na selektywność wiązania. Oznacza to pytanie, dlaczego jeden z izotopów ma większe prawdopodobieństwo przywierania niż drugi. Zostało to szczegółowo rozszyfrowane w niniejszym badaniu poprzez synergistyczne współdziałanie najnowocześniejszej spektroskopii, obliczeń chemii kwantowej i analizy wiązania chemicznego na układzie modelowym. „Po raz pierwszy byliśmy w stanie pokazać wpływ poszczególnych atomów związków szkieletowych na adsorpcję. Teraz możemy je zoptymalizować w sposób ukierunkowany, aby uzyskać materiały o wysokiej selektywności w temperaturze pokojowej” — mówi Heine.
Ten 1,2,3H Research Training Group, finansowana przez Niemiecką Fundację Badań Naukowych (DFG) kwotą 5,4 mln euro w ciągu 4,5 roku, szkoli ponad 20 doktorantów od października 2021 r. Łączy wiedzę specjalistyczną Uniwersytetu Lipskiego, TU Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf i Instytutu Inżynierii Powierzchni Leibniza w celu opracowywania nowych materiałów, skuteczniejszych leków i bardziej czułych metod wykrywania poprzez łączenie finansowania badań podstawowych i szkoleń w dziedzinie izotopów wodoru. Druga grupa około 15–20 doktorantów rozpocznie swój trzyletni ustrukturyzowany program doktorancki 1 października 2024 r.
