广东
导读
近日，中国科学技术大学精准智能化学全国重点实验室徐铜文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授团队联合攻关，在氘代化学品制备领域取得突破性进展。研究团队创新性地利用双极膜实现重水高效解离，发现了核量子效应导致膜层内氘离子迁移速率反超氢离子的现象，颠覆了长期以来“重水解离速率比水慢”的传统认知，并成功开发出低成本制备氘代酸碱的新技术。7月9日，该重要研究成果在线发表于《自然》（
Nature）。
2025年初至今
中国科大以第一署名及通讯单位在
Nature、Science、Cell
三大国际顶尖刊物（CNS）上
共计发表了10篇成果
双极膜重水解离示意图及理论模拟
氘代酸和氘代碱是合成氘代药物、进行氢/氘交换反应的关键原料，同时在有机发光二极管（OLED）器件寿命提升具有重要应用，市场前景广阔。然而，当前氘代酸碱的生产普遍存在工艺复杂、反应条件苛刻、产物纯化困难、过程能耗高等瓶颈问题。
双极膜内氘离子迁移示意图与制备氘代酸碱性能
此次研究以廉价的无机盐和重水为原料，在室温条件下利用双极膜解离重水，一步生成高浓度的氘代酸和氘代碱，大幅降低了生产成本，有望为下游众多氘代化学品提供经济、优质的氘代酸碱原料。
双极膜解离重水的实验装置
研究阐明了双极膜高效解离重水的核心机理。在反向偏压作用下，双极膜中间层离子定向迁出，解离产生的氘离子和氘氧根离子成为氘代酸碱的来源。研究表明，与水体系相比，重水更高的氘氧键键能和更低的离子扩散系数导致膜堆电压显著升高；尤其是在消耗相同电荷量的情况下，氘离子/氘氧根离子的生成速率反是氢离子/氢氧根离子的1.25倍，这颠覆了重水解离速率慢的固有认知。分子动力学模拟表明，重水更高的粘度和更强的氢键网络增加了阳离子迁移阻力，使其溶剂化壳层更稳定有序；其次，膜相内氘离子团簇具有比质子团簇更低的脱水能垒，导致氘离子比氢离子在膜相内具有更快迁移速率。
徐铜文（左一）研究团队在讨论实验进展
基于此原理，研究团队成功将技术拓展至多种体系，实现了包括氘代硫酸、氘代盐酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化钾、氘氧化钠等一系列氘代酸碱试剂的高效制备。以该双极膜重水解离技术为核心的氘代酸碱制备平台，平均生产成本仅为传统工艺的五分之一。整个生产过程无需使用强腐蚀性试剂或重金属催化剂，排放趋近于零，环境友好特性突出，高度契合我国经济社会全面绿色低碳转型的战略方向。目前，该技术已成功完成3吨/年氘代酸碱的中试放大，为其工业化大规模生产奠定了坚实基础。
研究团队合影
《自然》的审稿人对该工作给予了高度评价，认为“是双极膜创新性应用”(to be a creative application of a bipolar membrane system)；“首次实现双极膜重水解离制氘代酸碱”（To the best of my knowledge (including a search in literature), this work is the first to introduce heavy water in bipolar membrane electrodialysis for producing deuteride acids and bases）；“作者找到了双极膜的完美应用领域，该技术具有高度灵活、便捷、高效等优点；该平台技术能显著加速研究进程，并大幅提升氘代分子相关实验方法的可及性。”（the authors found a perfect niche for this technology, … is highly flexible, modular, and robust… The suggested platform could significantly accelerate research and increase accessibility to procedures using deuterized molecules）。
中国科大闫军营博士后、蒋晨啸副研究员和曾雄志特任副研究员为论文共同第一作者。徐铜文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授为共同通讯作者。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09274-7
来源：中国科学技术大学
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