مجله علوم، مهندسی و فناوری هسته‌ای

جداسازی ایزوتوپ‌های هیدروژن توسط چهارچوب‌های آلی فلزی تغییر یافته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مسعود عربیه 1
یاور تقی پور آذر 2
سید شهاب الدین نقوی 3
سید جواد احمدی 1
محمدعلی خزائی 1

1 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران- ایران

2 پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 8486-11365، تهران- ایران

3 گروه شیمی فیزیک و محاسباتی، دانشکده شیمی و علوم نفت، دانشگاه شهید بهشتی، صندوق پستی: 1983969411، تهران- ایران

https://doi.org/10.24200/nst.2022.1167.1765
چکیده
جداسازی ایزوتوپ‌های سبک می‌تواند از طریق سازوکار محدودسازی در ساختارهای مزومتخلخل و یا جذب قوی حاصل گردد. چارچوب‌های آلی با توجه به ساختار متخلخل قابل تنظیم و جایگاه‌های جذب نسبتاً قوی گزینه‌های مناسبی جهت جداسازی ایزوتوپ به نظر می‌رسند. در این پژوهش تشکیل کمپلکس‌های دی هیدروژن در مجاورت جایگاه فلزی باز چارچوب‌های آلی فلزی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا در گام نخست ساختار الکترونی چارچوب‌های الی فلز مبتنی بر ردیف اول فلزات واسطه با استفاده از نظریه تابعی چگالی مورد مطالعه قرار گرفته است. سپس با بهره‌گیری از رهیافت شیمی کوانتومی و ملاحظات مربوط به سطح انرژی پتانسیل برهم‌کنش بین مولکول هیدروژن و جایگاه‌های فلزی باز مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاصله نشان می‌دهد ساختار Fe-MOF چاه پتانسیل عمیق‌تری داشته و با توجه به جداسازی مؤثر انرژی نقطه صفر شانس بالاتری برای جداسازی ایزوتوپ ایجاد می‌نماید.

کلیدواژه‌ها

جداسازی ایزوتوپی
چارچوب‌های آلی فلزی
نظریه تابعی چگالی
کمپلکس دی هیدروژن

عنوان مقاله English

The separation of hydrogen isotopes via modified metal organic frameworks

نویسندگان English

M. Arabieh 1
Y. Taghipour Azar 2
S. Shahab Naghavi 3
S.J. Ahmadi 1
M.A. Khazaie 1
1 Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-3486, Tehran - Iran
2 Physics and Accelerators Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box:11365-8486, Tehran-Iran
3 Department of Physical and Computational Chemistry, Shahid Beheshti University, P.O.Box: 1983969411, Tehran - Iran
چکیده English

Hydrogen isotope separation can be achieved by confinement to small mesoporous structures or by strong adsorption sites. MOFs are attractive candidates for isotope separation, considering their tunable pore structures and the potential to introduce adsorption sites. In this research, we investigate the formation of elongated dihydrogen complexes near MOF’s open metal sites as a promising reaction for isotope separation. The electronic structure of all MOFs (M is the first-row transition metal) is studied based on density functional theory. The quantum chemical approach suggests Fe-MOF as a promising candidate for isotope separation by modeling the non-covalent interactions with the active site/H2 cluster.

کلیدواژه‌ها English

Isotope separation
Metal-organic frameworks
Density functional theory
Dihydrogen complexes
  1. P.P. Povinec, et al., Natural radioactivity in Brazilian groundwater, J. Environ. Radioact., 99, 1596-1610 (2008).

 

  1. J. Daillant, Lecture Notes in Physic, 917, 413–444 (2016).

 

  1. S.P.I. Pázsit, Neutron slowing down in a detector with absorption, Nucl. Sci. Eng., 154, 367–373 (2006).

 

  1. P. Kowalczyk, et al, To what extent can mutual shifting of folded carbonaceous walls in slit-like pores affect their adsorption properties, J. Phys. Condens. Matter, 21, 144210-144218 (2009).

 

  1. H.K. Rae, In: Separation of Hydrogen Isotopes, JACS, 68, 1–26 (1978).

 

  1. Hyunchul Oh, Michael Hirscher, Quantum Sieving for Separation of Hydrogen Isotopes Using MOFs Eur, J. Inorg. Chem., 4278–4289 (2016).

 

  1. T.X. Nguyen, H. Jobic, S.K. Bhatia, Microscopic Observation of Kinetic Molecular Sieving of Hydrogen Isotopes in a Nanoporous Material, Phys. Rev. Lett., 105, 085901-085910 (2010).

 

  1. N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Elsevier Butterworth–Heinemann, Amsterdam/Heidelbe rg (2005).

 

  1. H.K. Rae, Separation of Hydrogen Isotopes, American Chemical Society, 68, Washington D.C. (1978).

 

  1. X.Z. Chu, et al, Dynamic experiments and model of hydrogen and deuterium separation with micropore molecular sieve Y at 77 K, Chem. Eng. J., 152, 428-433 (2009).

 

  1. J.J.M. Beenakker, V.D. Borman, S.Y. Krylov, Molecular transport in subnanometer pores: zero-point energy, reduced dimensionality and quantum sieving, Chem. Phys. Lett., 232, 379–382 (1995).

 

  1. S. Polarz, B. Smarsly, Nanoporous Materials, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 6, 581-612 (2002).

 

  1. G.Q. Lu, X.S. Zhao, Nanoporous Materials: Science and Engineering, Imperial College Press, London (2004).

 

  1. José M Soler, et al., The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation, J. Phys. Condens. Matter, 14, 2745-2779 (2002).

 

  1. Perdew, John P., Kieron Burke, Matthias Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple, Physical Review Letters, 77(18), 3865 (1996).

 

  1. E. Apra, NWChem: Past, present, and future, The Journal of Chemical Physics, 152, 184102 (2020).

 

  1. Banglin Chen, et al., Surface Interactions and Quantum Kinetic Molecular Sieving for H2 and D2 Adsorption on a Mixed Metal−Organic Framework Material, J. Am. Chem. Soc., 130(20), 6411 (2008).

 

  1. G.J. Kubas, et al, , J. Am. Chem. Soc., 106, 451–452 (1984).

 

  1. Natalia V. Belkova, et al, Hydrogen and Dihydrogen Bonds in the Reactions of Metal Hydrides, Chem. Rev., 116(15), 8545–8587 (2016)

صفحه اصلی