黄飞鹤/李光锋/肖丁团队和刘明团队Nature Synthesis：H₂O和D₂O的动态精准分离

重水（D₂O）是核能、医疗等领域的关键战略资源，但其自然丰度极低，仅约为0.015%。由于H₂O与D₂O在尺寸和化学性质上高度相似，传统分离方法如蒸馏、电解等存在能耗高、效率低的问题，因此开发高效、节能的水同位素体分离技术一直是科研界面临的重大挑战。

浙江大学黄飞鹤/李光锋/肖丁团队与刘明研究员团队合作，报道了一种多孔分子编织材料(PWPN-1),在室温条件下实现了对水同位素体H₂O和D₂O的动态精准分离。该材料通过二维分子编织层的榫卯堆叠构建而成，其编织通道为水分子提供了传输路径，而自适应的编织节点与榫卯结构在突破过程中放大两种同位素体之间的细微差异，从而实现高效分离。相关研究成果以题为“A porous molecularly woven fabric for dynamic separation of water isotopologues”的论文最近发表于《Nature Synthesis》上，黄飞鹤教授、李光锋研究员、刘明研究员为本文通讯作者，肖丁研究员、胡丁月博士、杨思源博士与杨雪博士为本文第一作者。

作者首先介绍了两种不同的水同位素体分离策略。静态共吸附分离(图1a)通过将材料直接浸入同位素混合物，依次完成吸附与脱附过程；而动态共吸附分离(图1b)则借助压力驱动混合物连续流经填充柱，更具实际应用前景。PWPN-1的晶体结构显示，其由二维编织层(图1c)通过榫卯堆叠形成的三维网络(图1d),这种编织与榫卯结合的构筑策略，不仅构建出连续的编织通道(图1e),还形成独特的八面体空腔，为后续吸附与扩散行为提供了结构基础。

图2. 吸附性能分析与突破实验

作者采用容量法、重量法以及穿透实验系统评估了材料的吸附性能与分离效果。活化后的PWPN-1a(图2a)在移除苯分子后仍保持结构完整性，其比表面积达235 m²g^-1（图2b)。吸附实验显示，D₂O的平衡吸附容量高于H₂O(图2c)，且动力学吸附中D₂O的吸附速率更快(图2d,e)。突破实验中，单组分D₂O的保留时间显著长于H₂O，而在80/20和90/10的D₂O/H₂O混合体系中，D₂O、HDO和H₂O的保留时间差异明显(图2f–h)，证明材料能有效分离三者。此外，十次循环实验后材料性能稳定(图2i–k),显示出良好的可重复使用性。

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为深入探究H₂O与D₂O的扩散行为差异，作者开展了系统的计算模拟。结合能计算表明，D₂O在编织通道(site-1)和八面体空腔(Site-2)中的结合能均高于H₂O(图4a)，说明其与骨架之间存在更强相互作用。自由能表面分析进一步识别出两条水分子迁移路径(Path-1与Path-2，图4b)，其中D₂O在两条路径上的扩散能垒均高于H₂O(图4c–h)。这一结果与突破实验中D₂O保留时间更长的现象直接关联，从能量层面揭示了分离机制的本质。

这项研究借鉴了宏观编织材料在分离领域的应用理念，设计并合成了一种由配位B−N键驱动的多孔分子编织材料。凭借其独特的编织通道结构和丰富的自适应节点，该材料在温和条件下实现了水同位素体D₂O和H₂O的动态分离。该动态分离过程符合工业应用需求，为长期存在的水同位素分离技术难题提供了新的解决思路。更重要的是，本研究成功地将编织拓扑结构的独特分离特性从宏观尺度拓展至分子尺度，实现了高附加值化学品的精确分离，使分子编织材料从结构层面的探索迈向实际应用，特别是在分离领域，为化学品，尤其是同位素化合物的高效分离开辟了新的途径。

文章来源：浙大化学

关于蒸气吸附部分的实验

值得一提的是这项研究中H₂O和D₂O的蒸汽吸附测量使用的是精微高博的JW-ZQ 100蒸气吸附仪。

PWPN-1a在298 K下、相对压力（P/Pₛ）从0到0.9的H₂O和D₂O蒸汽吸附曲线。每一点的暴露时间为600s。

JW-ZQ 100蒸气吸附仪是一款专业用于材料蒸气吸附行为研究的全自动分析系统。该仪器可精确测定包括水蒸气、有机溶剂蒸气等多种吸附质的吸附等温线，并支持吸附热、选择吸附系数等关键参数分析，尤其适用于多孔材料在环境、能源及医药领域的性能研究。仪器搭载超真空模块与高精度温压控制系统，配合智能蒸气源制备与低温捕集模块，有效防止蒸气冷凝与环境污染，保证测试稳定与安全。其样品温度控制覆盖液氮低温至恒温水浴宽域范围，结合多级压力传感与全自动软件平台，显著提升测试效率与数据可靠性，为科研与工业用户提供高水平的蒸气吸附表征解决方案。

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精微高博成立于2004年，总部和研发中心设于北京，生产基地位于天津，在美国、德国设有子公司，是一家深耕全球市场的科学仪器制造企业。公司产品涵盖吸附类仪器、热分析仪器、X射线衍射仪及反应装置等关键领域。

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