近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精準(zhǔn)智能化學(xué)全國重點實驗室教授徐銅文、特任教授汪耀明和教授李震宇團隊，在氘代化學(xué)品制備領(lǐng)域取得突破性進展。該團隊創(chuàng)新性地利用雙極膜實現(xiàn)重水高效解離，首次揭示了核量子效應(yīng)導(dǎo)致膜層內(nèi)氘離子移速率反超氫離子的現(xiàn)象，顛覆了“重水解離速率慢”的傳統(tǒng)認(rèn)知，并開發(fā)出低成本、高效率制備氘代酸和氘代堿新技術(shù)。

氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進行氫/氘交換反應(yīng)的關(guān)鍵原料，在OLED等發(fā)光材料中具有重要應(yīng)用前景。當(dāng)前，氘代酸堿的生產(chǎn)普遍存在工藝復(fù)雜多樣、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)物純化困難、濃縮能耗高等問題。

該研究以廉價的重水和無機鹽為原料，在室溫條件下利用雙極膜電滲析技術(shù)直接高效解離重水，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、優(yōu)質(zhì)的氘代酸堿原料。

該研究闡明了雙極膜高效解離重水的核心機理。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。研究發(fā)現(xiàn)，重水體系中更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴散系數(shù)共同導(dǎo)致雙極膜電滲析膜堆電壓顯著升高。同時，更高的雙極膜極限電流密度和溶液電阻使得重水解離達到穩(wěn)態(tài)所需時間遠(yuǎn)長于普通水解離。

基于上述原理，研究人員將新技術(shù)拓展至多個體系，實現(xiàn)了氘代硫酸、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和氘代堿的高效制備。

以雙極膜重水解離技術(shù)為核心的氘代酸堿制備平臺，平均生產(chǎn)成本僅為傳統(tǒng)工藝的20%左右。整個生產(chǎn)過程無需使用強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。目前，這一技術(shù)已完成工程放大，具備年產(chǎn)3噸氘代酸堿的能力，為其工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。