Un nouveau matériau pour la séparation du deutérium à haute température

Un nouveau matériau poreux capable de séparer le deutérium (D₂) de l'hydrogène (H₂) à une température de 120 K (-153°C) a été présenté. Cela ouvre la voie à une séparation isotopique durable à l'échelle industrielle en utilisant les infrastructures existantes de gaz naturel liquéfié (GNL).

Récemment, les systèmes poreux confinés tels que les réseaux métallo-organiques (MOF) - des matériaux avancés dotés d'une porosité exceptionnelle et d'une polyvalence chimique qui permet d'ajuster leurs propriétés pour répondre aux exigences d'un large éventail d'applications - sont apparus comme des méthodes efficaces pour la séparation des isotopes de l'hydrogène (par le biais d'effets quantiques nucléaires). Cependant, l'efficacité tend à diminuer considérablement à mesure que la température augmente.

Une étude publiée dans Nature Communications présente un nouveau MOF à base de cuivre qui démontre des performances de séparation de D₂ exceptionnelles, même à 120 K (-153℃). Des expériences de diffraction des rayons X (DRX) in situ et de diffusion quasi-élastique de neutrons (QENS) de confirmation ont été menées à l'ILL par une équipe conjointe de chercheurs de l'Institut national de science et de technologie d'Ulsan et de l'Université de Soongsil (Corée du Sud), du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) et du Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ), en Allemagne.

Aux températures cryogéniques, les pores du MOF développé sont plus petits que les molécules d'H₂ , ce qui empêche leur passage. Cependant, à mesure que la température augmente, le réseau cristallin se dilate, entraînant une augmentation de la taille des pores. Cet agrandissement facilite le passage des gaz à travers les pores, permettant ainsi la séparation de H₂ et D₂.

Les expériences QENS ont confirmé la dilatation du réseau cristallin avec l'augmentation de la température, ainsi qu'une différence notable dans la mobilité moléculaire de H₂ et D₂ , même à des températures dépassant 150 K. Les mesures QENS ont été effectuées sur le spectromètre à temps de vol (TOF) IN5. Pendant la mesure QENS, les gaz H₂ et D₂ ont été injectés dans l'échantillon, à chaque température (77 K-150 K), à travers un système de dosage de gaz in situ.

En conclusion, ce matériau présente une efficacité de séparation améliorée et une consommation d'énergie nettement inférieure par rapport à la plupart des méthodes traditionnelles. Ces résultats peuvent être appliqués pour développer des technologies de séparation isotopique durables en utilisant l'infrastructure cryogénique existante du GNL, soulignant ainsi son potentiel impact industriel.