▲
小烯导读
近日消息，曼彻斯特大学最新的一项研究表明，石墨烯膜可以将现有制备核电厂用重水的能源成本降低到目前水平的百分之一以下。由曼彻斯特大学Marcelo Lozada-Hidalgo教授领导的一个团队展示了能够生产重水的石墨烯膜的完全可扩展的原型，该研究成果发表在了近期的《Nature Communications》上。
近日消息，曼彻斯特大学最新的一项研究表明，石墨烯膜可以将现有制备核电厂用重水的能源成本降低到目前水平的百分之一以下。由曼彻斯特大学Marcelo Lozada-Hidalgo教授领导的一个团队展示了能够生产重水的石墨烯膜的完全可扩展的原型，该研究成果发表在了近期的《Nature Communications》上。
该研究表明，基于石墨烯的膜可以使重水的生产更有效率，从而核电的成本更低，过程更加环保。清洁能源，即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括核能和“可再生能源”。
重水的分子结构
重水(Deuterium oxide)是由氘和氧组成的化合物。分子式D2O，相对分子质量20.0275，比水（H2O）的相对分子质量18.0153高出约11%，因此叫做重水。
在自然界中，重水的含量非常少，重水主要用作核反应堆的慢化剂和冷却剂，用量可达上百吨。目前重水的制备是一个比较复杂和高成本的过程。由于石墨烯材料的独特特性，具有有效地分离亚原子粒子的潜力，使得制备重水的过程更加高效和成本更低。
氘是组成重水的重要原子，分离氢的同位素氘对于核聚变和核裂变工厂都是一项巨大的任务。每年都需要处理数千吨的氢和氘的同位素混合物来制备重水。生产1kg吨重水所消耗的电量相当于一个普通的美国家庭一年所需的电量。
曼彻斯特大学研究员Lozada-Hidalgo博士说：“这是将革命性技术应用于工业应用的一个重要里程碑。“即使在高度保守的核工业中，这项技术的潜在收益也足以证明有充分的理由被引进。
仅仅在去年，同一组研究人员发现，石墨烯可以有效地筛选氢同位素。但是，这一发现的工业机会并没有被分析重视，因为当时没有适用于可扩展制造的石墨烯膜或制备技术。
现在，曼彻斯特大学的这个团队开发了完全可扩展的石墨烯膜的原型，并展示了中试规模研究中的同位素分离效果。他们发现石墨烯膜分离的高效率，使得需要处理的原始同位素混合物的投入量显著降低，这大大降低了成本和能耗。与其他同类技术相比，该技术估计只需要少于100倍的能耗来生产重水，大量原本需要净化氘的能源被节省下来了。
核电站内部
安德烈·海姆爵士补充说：“核电厂排放的氚和环境灾难是全球都关切的一项重大问题。“我们相信这项技术可以在经济上改变未来核电厂的环境足迹。”
论文题目：
Scalable and efficient separation ofhydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping
作者：
M. Lozada-Hidalgo, S. Zhang, S. Hu, A. Esfandiar, I. V. Grigorieva& A. K. Geim
摘要：
Thousands of tons of isotopic mixtures areprocessed annually for heavy-water production and tritium decontamination. Theexisting technologies remain extremely energy intensive and require largecapital investments. New approaches are needed to reduce the industry’sfootprint. Recently, micrometre-size crystals of graphene are shown to act asefficient sieves for hydrogen isotopes pumped through grapheneelectrochemically. Here we report a fully-scalable approach, using grapheneobtained by chemical vapour deposition, which allows a proton-deuteronseparation factor of around 8, despite cracks and imperfections. The energyconsumption is projected to be orders of magnitude smaller with respect toexisting technologies. A membrane based on 30 m2 of graphene, a readilyaccessible amount, could provide a heavy-water output comparable to that ofmodern plants. Even higher efficiency is expected for tritium separation. Withno fundamental obstacles for scaling up, the technology’s simplicity,efficiency and green credentials call for consideration by the nuclear andrelated industries.
目前每年处理数千吨同位素混合物用于重水生产和氚净化。现有技术仍然极为耗能，需要大量资金投入。最新研究表明，石墨烯的微米尺寸晶体显示出充当电化学泵浦的石墨烯氢同位素的有效筛选的潜力。在这里，我们报告了一种完全可扩展的方法，使用通过化学气相沉积获得的石墨烯膜，其允许质子氘核分离因子约为8，尽管有裂纹和缺陷。相对于现有技术，能源消耗预计将小一个数量级。基于30平方米石墨烯的膜，容易获得的量可以提供与现代工厂相当的重水输出。预期氚分离效率更高。没有扩大规模的根本障碍，技术的简单性，效率和绿色认证要求核和相关行业考虑。
图1 石墨烯-氟磺酸膜的制备
图2：使用在Nafion上石墨烯膜进行电化学泵浦的同位素分离表征
资料来源：烯碳资讯独家编辑整理，转载请注明出处
