日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心表面界面科学研究团队的研究主干保田谕和团队负责人福谷克之（东京大学生产技术研究所教授）与北海道大学和大阪大学共同宣布，使用1个原子厚度的石墨烯膜可以分离氢和氘。这个结果是通过构建固体高分子电化学器件，定量评估穿过膜的氢离子和氘离子的数量得出的。同时，理论计算也表明，这种分离起因于量子隧道效应。这一成果有助于开发低成本的氘精制法。相关成果已刊登在国际科学杂志《ACS nano》9月1日号上。
图1.通过量子隧道效应从氢氘混合气体中浓缩分离氘的概念图（提供：日本原子能研究开发机构）
氘（D2）作为氢的同位素广泛应用于半导体集成电路的高耐久化和提高光纤的传播能力，以及通过减慢代谢延长药效的氘标记医药品等，对有望成为下一代能源的核聚变而言也同样不可或缺。
目前，氘的生产方法主要是利用深冷蒸馏法从H2和D2的混合气体中分离D2。该方法虽然可以大规模生产，但需要零下250℃的极低温，并存在分离能力（H/D分离能力）低下的问题。
与此相对，近年来，有论文报告说1个碳原子厚度的石墨烯膜在常温下可让氢离子比氘离子更多地通过薄膜。尽管众多研究者为此进行过追加试验，但由于未能得到确切结果，分离机理也不清楚，所以研究人员对该现象存在意见分歧。
此次研究团队为了在实验性中良好再现石墨烯膜的H/D分离能力，设计了使用固体高分子电化学器件的实验系统。高分子形电化学器件与电动汽车或家用燃料电池结构相同，用阳极和阴极夹住固体高分子膜形成一体，在两个电极间提供能量（施加电压），再向阳极提供H2和D2的混合气体后，一部分H2和D2在阳极离子化，形成氢离子和氘离子，进入固体电解质膜中，在阴极发生反应，再度形成H2和D2后排出。实验系统中，在阳极和固体高分子膜之间夹持固定石墨烯膜，通过检查从阴极排出的气体，可以评估石墨烯膜是否起到H/D分离能力的“离子筛”作用。
在实验中，在固体电解质膜上粘贴了石墨烯膜，在其上重叠由钯构成的金属膜，制作阳极。将混合气体提供给阳极，在阳极和阴极之间施加电压。
最终，以良好的再现性确认到了与D2相比有更多的H2排放至阴极。石墨烯膜的有无导致排出的H2和D2的比例明显不同，在有石墨烯的情况下分离能力约高10倍，证明了石墨烯的“离子筛”效应具有高H/D分离能力。
此外，当进一步改变电压观察变化时，观察到了提高电压时分离能力下降的倾向。
据此结果，通过使用由氢离子和氘离子的特异性吸附产生的模型和由量子隧道效应产生的模型进行理论计算，在由量子隧道效应产生的模型中获得了高度一致性。
此次设计的器件可在约80℃左右的温度下工作，由于可以对已经商用化的产品进行改造，预计能够实现不需要冷却成本的低成本D2生产。
保田研究主干表示：“为了替代已经确立的制造方法，我们认为需要进一步提高大规模生产和分离能力。为了提高处理速度需要提高电压，但为此就需要制作一种电压提高而处理能力不会下降的薄膜。因此，我们目前正在通过使用石墨烯薄膜以外的纳米材料并利用量子隧道的独特现象，开发在室温下由具有高分离能力的电极材料形成的装置”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：ACS nano（2022）
论文：Efficient Hydrogen Isotope Separation by Tunneling Effect Using Graphene-Based Heterogeneous Electrocatalysts in Electrochemical Hydrogen Isotope Pumping
DOI：doi.org/10.1021/acsnano.2c04655
