Durchbruch bei der Trennung von Wasserstoffisotopen
Forschende der Tohoku-Universität, des Max-Planck-Instituts und internationaler Partner haben ein neuartiges Material vorgestellt, das die Trennung von Wasserstoffisotopen revolutionieren könnte – ein entscheidender Prozess für Energietechnologien, Kernfusion und wissenschaftliche Anwendungen.
In einem Artikel, der in Nature Communications veröffentlicht wurde, berichten die Forschenden über ein triazolatbasiertes Metall-Organisches Gerüst (MOF), das eine außergewöhnlich hohe Selektivität für Deuterium (D₂) gegenüber Wasserstoff (H₂) zeigt. Mithilfe modernster Methoden wie Neutronen-Pulverdiffraktion und thermischer Desorptionsspektroskopie fanden sie heraus, dass die Nanoporen und die flexible Struktur des Materials unterschiedlich auf die beiden Isotope reagieren und so Deuterium deutlich bevorzugt einfangen.
Bei nur 60 Kelvin (–213 °C) erreichte das Material eine D₂/H₂-Selektivität von 32,5 – einer der höchsten Werte, die jemals für poröse Materialien berichtet wurden. Wird es einem Gemisch ausgesetzt, das der natürlichen Wasserstoffzusammensetzung (nur 5 % D₂) entspricht, steigert es den Deuteriumanteil in nur einem Zyklus auf 75 %.
Das Geheimnis liegt in den strukturellen Dynamiken des MOFs: Obwohl sowohl H₂- als auch D₂-Moleküle an denselben Adsorptionsstellen binden, dehnt sich das Gerüst bei D₂ etwas weniger aus – ein Hinweis auf stärkere Wechselwirkungen. Damit nutzt das Material subtile Quanteneffekte, wie Unterschiede in Masse und Nullpunktsenergie, um die Isotope effizient zu trennen.
Besonders vielversprechend: Das verwendete Triazolat-Ligand ist kommerziell verfügbar, und das Gerüstdesign kann durch den Einsatz verschiedener Metalle hochskaliert werden – ein wichtiger Schritt hin zur industriellen Anwendung.
„Wir sind damit der Entwicklung von Materialien, die Isotopentrennung deutlich effizienter und nachhaltiger als bisherige energieintensive Verfahren ermöglichen, ein großes Stück nähergekommen“, erklärt Coautor Michael Hirscher (MPI-IS).
An der Studie beteiligten sich Wissenschaftler:innen aus Japan, Deutschland, Australien und den USA, unterstützt durch modernste Neutronenstreueinrichtungen und Computermodelle.
Dieser Fortschritt zeigt eindrucksvoll, wie die gezielte Entwicklung poröser Materialien auf molekularer Ebene genutzt werden kann, um langjährige technische Herausforderungen zu lösen.
