顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功開發(fā)低成本制備氘代酸堿新技術(shù)

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）記者近日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校精準(zhǔn)智能化學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，在氘代化學(xué)品制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用雙極膜實(shí)現(xiàn)重水高效解離，發(fā)現(xiàn)了核量子效應(yīng)導(dǎo)致膜層內(nèi)氘離子遷移速率反超氫離子的現(xiàn)象，顛覆了長(zhǎng)期以來“重水解離速率比水慢”的傳統(tǒng)認(rèn)知，并成功開發(fā)出低成本制備氘代酸堿的新技術(shù)。7月9日，該重要研究成果在線發(fā)表于《自然》。

氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進(jìn)行氫/氘交換反應(yīng)的關(guān)鍵原料，同時(shí)在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）器件壽命提升具有重要應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。然而，當(dāng)前氘代酸堿的生產(chǎn)普遍存在工藝復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)物純化困難、過程能耗高等瓶頸問題。

此次研究以廉價(jià)的無機(jī)鹽和重水為原料，在室溫條件下利用雙極膜解離重水，一步生成高濃度的氘代酸和氘代堿，大幅降低了生產(chǎn)成本，有望為下游眾多氘代化學(xué)品提供經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的氘代酸堿原料。

研究闡明了雙極膜高效解離重水的核心機(jī)理。在反向偏壓作用下，雙極膜中間層離子定向遷出，解離產(chǎn)生的氘離子和氘氧根離子成為氘代酸堿的來源。研究表明，與水體系相比，重水更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴(kuò)散系數(shù)導(dǎo)致膜堆電壓顯著升高；尤其是在消耗相同電荷量的情況下，氘離子/氘氧根離子的生成速率反是氫離子/氫氧根離子的1.25倍，這顛覆了重水解離速率慢的固有認(rèn)知。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，重水更高的粘度和更強(qiáng)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)增加了陽(yáng)離子遷移阻力，使其溶劑化殼層更穩(wěn)定有序；其次，膜相內(nèi)氘離子團(tuán)簇具有比質(zhì)子團(tuán)簇更低的脫水能壘，導(dǎo)致氘離子比氫離子在膜相內(nèi)具有更快遷移速率。

基于此原理，研究團(tuán)隊(duì)成功將技術(shù)拓展至多種體系，實(shí)現(xiàn)了包括氘代硫酸、氘代鹽酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化鉀、氘氧化鈉等一系列氘代酸堿試劑的高效制備。以該雙極膜重水解離技術(shù)為核心的氘代酸堿制備平臺(tái)，平均生產(chǎn)成本僅為傳統(tǒng)工藝的五分之一。整個(gè)生產(chǎn)過程無需使用強(qiáng)腐蝕性試劑或重金屬催化劑，排放趨近于零，環(huán)境友好特性突出，高度契合我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略方向。目前，該技術(shù)已成功完成3噸/年氘代酸堿的中試放大，為其工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。