Ein Quantensieb für Deuterium

Wählerisches Molekülgitter: Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um schweren Wasserstoff von seinem leichteren Gegenstück zu trennen. Dabei dient eine metallorganische Gerüstverbindung als selektives Quantensieb: Die Poren dieses Molekülgerüsts bleiben beim normalen Wasserstoff geschlossen, öffnen sich jedoch für das schwerere Isotop Deuterium. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, das für viele Anwendungen benötigte Deuterium effizienter als bisher zu gewinnen.

Etwa eines von 6.500 Wasserstoff-Atomen besitzt zusätzlich zum Proton noch ein Neutron im Kern – und wird damit zum schwereren Isotop Deuterium (D). Dieses Wasserstoffisotop eignet sich wegen seines größeren, schwereren Kerns besonders gut für die Kernfusion und soll daher unter anderem im künftigen Fusionsreaktor ITER eingesetzt werden. Aber auch als bremsender Moderator in Atomkraftwerken, für Grundlagenforschung in der Teilchenphysik oder in der Medizin wird Deuterium verwendet. Die Nachfrage nach Deuterium wächst daher.

Aufwendige Abtrennung

Das Problem jedoch: Deuterium aus der natürlichen Isotopenmischung des Wasserstoffs abzutrennen, ist aufwendig und teuer. In gängigen Verfahren wird dafür zunächst schweres, deuteriumhaltiges Wasser mittels chemischer und physikalischer Methoden aufkonzentriert. Diese Flüssigkeit wird dann verdampft, so dass Deuteriumgas (D₂) entsteht. Das Ganze ist allerdings so aufwendig und energieintensiv, dass ein Gramm Deuterium teurer ist als Gold.

Eine günstigere und einfachere Alternative haben nun Linda Bondorf vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und ihre Kollegen entwickelt. Basis ihres neuen Trennverfahrens ist eine metallorganische Gerüstverbindung (MOF). Diese porösen, oft kristallinen Feststoffe bestehen aus einem organischem Kohlenwasserstoff-Gerüst, in das Metallionen über Komplexbindungen eingeklinkt sind.

Metallorganische Gerüste als flexible Siebe

Für das neue Deuterium-Sieb nutzte das Team die an der TU Dresden entwickelte Gerüstverbindung DUT-8, die ihre Porengröße je nach Bindungspartner flexibel verändern kann: Bei Kontakt mit bestimmten Molekülen weitet sich das Gerüst und lässt die Moleküle passieren. Bei anderen hingegen führen chemische und physikalische Wechselwirkungen dazu, dass die Moleküle aufgehalten und gebunden werden.

Damit gleichen diese flexiblen metallorganischen Gerüste einem Sieb, dessen Poren sich selektiv weiten und verengen. Für ihre Studie haben Bondorf und ihr Team nun untersucht, ob sich mit DUT-8 auch molekulares Deuterium (D₂) von Wasserstoffgas abtrennen lässt. Bisher hatten Experimente ergeben, dass sich dieses Gerüst unter normalen Bedingungen für keine Wasserstoffvariante öffnet.

Porenöffnung nur für molekulares Deuterium

Doch wie das Team nun herausfand, ändert sich dies bei tiefen Temperaturen von rund 23 Grad über dem absoluten Nullpunkt : „Bei unseren Messungen konnten wir erstmals eine Öffnung der Struktur von DUT-8 unter Deuterium-Atmosphäre bei sehr tiefen Temperaturen beobachten“, berichtet Bondorfs Kollege Michael Hirscher. Dabei erweist sich die Reaktion der Gerüstverbindung jedoch als hoch selektiv: Bei normalem Wasserstoff und bei gemischten Wasserstoffmolekülen aus einem Protium- und einem Deuterium-Atom bleibt das Gitter geschlossen.

„Im Kontrast dazu öffnet sich das metallorganische Gerüst bereitwillig für Deuteriummoleküle (D₂) und zeigt eine deutliche und reversible Gasaufnahme“, berichten die Forschenden. „Eine solche Porenöffnung von Gerüstverbindungen nur für protiumfreien zweiatomigen Wasserstoff wurde bisher noch nie dokumentiert.“

In ergänzenden Analysen konnte das Team ermitteln, dass dies auf Quanteneffekte in der Interaktion der Wasserstoffkerne mit dem Gerüst zurückgeht. Das metallorganische Gerüst „erkennt“ dadurch, mit welcher Wasserstoffsorte es in Kontakt ist und reagiert darauf mit Veränderungen seiner Porengröße. „Diese hochselektive Erkennung führt zu einer hohen Trennschärfe bei gleichzeitig hoher Deuterium-Aufnahme“, erklärt Koautor Stefan von der TU Dresden.

Konkurrenzfähig gegenüber gängigen Verfahren

Nach Ansicht des Forschungsteams eröffnen solche selektiven metallorganischen Gerüstverbindungen damit eine neue, einfachere Möglichkeit, Deuterium aus Wasserstoffgemischen abzuscheiden. Das bisher sehr teure Deuterium könnte damit in Zukunft günstiger und einfacher verfügbar werden.

„Obwohl diese System nur bei ultrakalten Temperaturen funktionieren, macht sie ihre hohe Selektivität gepaart mit einer effektiven Gasaufnahme konkurrenzfähig gegenüber gängigen Verfahren wie der cryogenischen Destillation oder Filtermembranen aus zweidimensionalen Materialien“, so das Team. (Science Advances, 2022; doi: 0.1126/sciadv.abn7035)

Quelle: Technische Universität Dresden