日本核能研究開發機構尖端基礎研究中心表面界面科學研究團隊的研究主幹保田諭和團隊負責人福谷克之（東京大學生產技術研究所教授）與北海道大學和大阪大學共同宣佈，使用1個原子厚度的石墨烯膜可以分離氫和氘。這個結果是透過構建固體聚合物電化學器件，定量評估穿過膜的氫離子和氘離子的數量得出的。同時，理論計算也表明，這種分離起因於量子穿隧效應。這一成果有助於開發低成本的氘精製法。相關成果已刊登在國際科學雜誌《ACS nano》9月1日號上。
圖1.透過量子穿隧效應從氫氘氣體混合物中濃縮分離氘的概念圖（提供：日本核能研究開發機構）
氘（D2）作爲氫的同位素廣泛應用於半導體積體電路的高耐久化和提高光纖的傳播能力，以及透過減慢代謝延長藥效的氘標記醫藥物等，對有望成爲下一代能源的核融合而言也同樣不可或缺。
目前，氘的生產方法主要是利用深冷蒸餾法從H2和D2的氣體混合物中分離D2。該方法雖然可以大量生產，但需要零下250℃的極低溫，並存在分離能力（H/D分離能力）低下的問題。
與此相對，近年來，有論文報告說1個碳原子厚度的石墨烯膜在常溫下可讓氫離子比氘離子更多地透過薄膜。儘管衆多研究者爲此進行過追加試驗，但由於未能得到確切結果，分離機制也不清楚，所以研究人員對該現象存在意見分歧。
此次研究團隊爲了在實驗性中良好再現石墨烯膜的H/D分離能力，設計了使用固體聚合物電化學器件的實驗系統。聚合物形電化學器件與電動車或家用燃料電池結構相同，用陽極和陰極夾住固體高分子膜形成一體，在兩個電極間提供能量（施加電壓），再向陽極提供H2和D2的氣體混合物後，一部分H2和D2在陽極離子化，形成氫離子和氘離子，進入固態電解質膜中，在陰極發生反應，再度形成H2和D2後排出。實驗系統中，在陽極和固體高分子膜之間夾持固定石墨烯膜，透過檢查從陰極排出的氣體，可以評估石墨烯膜是否起到H/D分離能力的「離子篩」作用。
在實驗中，在固態電解質膜上粘貼了石墨烯膜，在其上重疊由鈀構成的金屬膜，製作陽極。將氣體混合物提供給陽極，在陽極和陰極之間施加電壓。
最終，以良好的複製性應答到了與D2相比有更多的H2排放至陰極。石墨烯膜的有無導致排出的H2和D2的比例明顯不同，在有石墨烯的情況下分離能力約高10倍，證明了石墨烯的「離子篩」效應具有高H/D分離能力。
此外，當進一步改變電壓觀察變化時，觀察到了提高電壓時分離能力下降的傾向。
據此結果，透過使用由氫離子和氘離子的獨特性吸附產生的模式和由量子穿隧效應產生的模式進行理論計算，在由量子穿隧效應產生的模式中獲得了高度恆定性。
此次設計的器件可在約80℃左右的溫度下工作，由於可以對已經商用化的產品進行改造，預計能夠實施不需要冷卻成本的低成本D2生產。
保田研究主幹表示：「爲了替代已經確立的製造方法，我們認爲需要進一步提高大量生產和分離能力。爲了提高處理速度需要提高電壓，但爲此就需要製作一種電壓提高而處理能力不會下降的薄膜。因此，我們目前正在透過使用石墨烯薄膜以外的奈米材料並利用量子隧道的獨特現象，開發在室溫下由具有高分離能力的電極材料形成的裝置」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：ACS nano（2022）
論文：Efficient Hydrogen Isotope Separation by Tunneling Effect Using Graphene-Based Heterogeneous Electrocatalysts in Electrochemical Hydrogen Isotope Pumping
DOI：doi.org/10.1021/acsnano.2c04655
