华南理工大学又一篇Nature，解决一项世纪难题！

为了将同位素用于科学、和技术的重要应用，化学家试图利用基于分子化学的简单策略来分离同位素，如通过电解使水同位素键解离，或使用宿主材料，如笼状化合物或刚性多孔材料，来捕获其中一种同位素。然而，由于同位素之间的分子内结构和分子间相互作用具有固有的相似性，因此分离同位素非常困难。

水同位素在生物过程、工业、医疗等方面非常重要，是最难分离的同位素对之一，因为它们的物理化学性质和化学交换平衡非常相似。

2022年11月9日，华南理工大学顾成团队与日本京都大学Susumu Kitagawa团队合作在Nature杂志在线发表题为“Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials”的研究论文，该研究报道了通过构建两个多孔配位聚合物——多孔配位聚合物(PCPs)或金属有机框架(metal–organic frameworks, MOFs)的动态特性，在室温下高效分离水同位素的方法，其中框架内的触发器分子运动提供了扩散调节功能。来宾流量受收缩孔隙孔上动态门的局部运动调节，从而放大了水同位素扩散速率的微小差异。

两种PCPs均发生显著的温度响应吸附：H₂O蒸汽优先被吸附到PCPs中，与D₂O蒸汽相比吸收量大幅增加，促进了基于动力学的H₂O/HDO/D₂O三元混合物的蒸汽分离，在室温下水分离系数高达210左右。

另外，2022年9月7日，华南理工大学黄飞教授、曹镛院士、马於光院士和北京大学裴坚教授、南方科技大学郭旭岗教授等合作在Nature 在线发表题为“A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity”的研究论文，该研究提出了一种容易合成的高导电 n 型聚合物（聚苯二呋喃二酮）(PBFDO)。该反应结合了氧化聚合和原位还原 n 掺杂，显著提高了掺杂效率，并且每个重复单元可以实现几乎 0.9 个电荷的掺杂水平。所得聚合物表现出超过 2000 S cm⁻¹的突破性电导率，具有出色的稳定性和出乎意料的溶液加工性，无需额外的侧链或表面活性剂。此外，对 PBFDO 的详细研究揭示了相干电荷传输特性和金属态的存在。进一步证明了电化学晶体管和热电发电机的基准性能，从而为 n 型 CP 在有机电子学中的应用铺平了道路（点击阅读）。

水同位素是最难分离的同位素对之一，因为它们的物理化学性质非常相似，如冰点 (H₂O 273.15 K versus D₂O 276.94 K)、沸点 (H₂O 373.15 K versus D₂O 374.56 K)和键能 (H₂O 458.9 kJ mol⁻¹ bond⁻¹ versus D₂O 466.4 kJ mol⁻¹ bond⁻¹) 。这些相似性导致传统蒸馏和电解方法分离H₂O和D₂O的显著障碍。H₂O、HDO和D₂O之间的化学交换平衡，在298 K处K = [HDO(液体)]²/{[H₂O(液体)]×[D₂O(液体)]}= 3.85，当H₂O和D₂O混合时，这三种物质始终共存。因此，用Geib-Spevack法等基于热力学平衡下质子交换的方法很难分离水同位素。此外，H₂O和D₂O的动力学直径非常小，而且完全相同(2.64 Å)，这使得使用多孔基质的吸附分离相当困难。使用多孔材料基吸附剂分离水同位素的方法至今尚未被提出，尽管这种方法已经发展了几十年。

在这项研究中，研究人员通过扩散调节机制提供了前所未有的水同位素分离，而不需要显著的能量消耗。即使在低温条件下，水同位素也不表现出明显的扩散速率差异，而可调节水同位素扩散的多孔宿主物质尚未见报道。该研究机制的本质是控制水同位素的扩散，并利用局部动态框架来放大它们的速率差异，以诱导水同位素的有效分离。根据动力学差异，动态框架优先吸附一个同位素，甚至从水同位素混合物，从而在动力学蒸汽分离系统中实现水同位素的高效分离。

图1. 水同位素动态识别的扩散调节机制（图源自Nature ）

这种策略利用了多孔配位聚合物(PCPs)或金属有机框架(metal–organic frameworks, MOFs)的动态特性，它们提供了框架的灵活性，以调节客体流量，以及客体识别分离。具体来说，PCPs是通过将动态触发器分子运动编码到扩散调节门功能中来生产的，该功能具有全局鲁棒但局部灵活的框架来调节水同位素的扩散，从而表现出温度调节的吸附行为，其中不同的扩散速率区分水同位素。

图2. 扩散调节PCPs的结构描述（图源自Nature ）

总的来说，这项工作证明了在室温下两种PCPs中水同位素的有效区分，放大了它们的扩散速率差异。TPD实验证明了基于动力学的H₂O/HDO/D₂O三元混合物的蒸汽分离，在298 K时水分离系数高达210左右。这些突出的分辨特征归因于其潜在的机制，即DLDM机制，该机制是由超小孔径和栅极组分的局部动力学共同实现的。这一原理可以更广泛地适用于与各种吸附剂一起使用，以有效地识别同位素。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05310-y