浙江大学黄飞鹤教授，最新Nature Synthesis！

新型多孔分子编织织物，实现水同位素体高效动态分离

重水（D₂O）作为核能、医疗等领域的关键战略资源，其自然丰度极低，仅约0.015%。由于H₂O和D₂O在尺寸和化学性质上极为接近，传统分离方法如蒸馏、电解等能耗高、效率低，开发高效、节能的水同位素体分离技术成为科研界长期面临的挑战。

近日，浙江大学黄飞鹤教授、李光锋研究员、刘明研究员成功研制出一种三维多孔分子编织织物（PWPN-1），实现了在室温下对水同位素体H₂O和D₂O的动态分离。该材料通过二维分子编织层的榫卯堆叠构建而成，其编织通道为水分子提供了传输路径，而自适应的编织节点与榫卯结构在突破过程中放大两种同位素体之间的细微差异，从而实现高效分离。相关论文以“A porous molecularly woven fabric for dynamic separation of water isotopologues”为题，发表在Nature Synthesis上。

图1展示了水同位素体分离策略的概念框架。静态共吸附分离（图1a）中材料直接浸入混合物，而动态共吸附分离（图1b）则通过压力驱动混合物穿过填充柱，更具实际应用潜力。PWPN-1的晶体结构显示其由二维编织层（图1c）通过榫卯方式堆叠成三维网络（图1d），形成连续的编织通道（图1e）和独特的八面体空腔，为后续的吸附与扩散过程奠定结构基础。

图1：水同位素体分离策略的概念总结。 a, b，水同位素体静态（a）和动态（b）共吸附分离示意图；c，PWPN-1晶体结构中一个二维编织层的顶视图和侧视图；d，PWPN-1的三维堆叠结构，插图为由编织节点和榫卯接头形成的八面体腔；e，沿c轴方向的晶体结构视图，显示编织通道。注：氢原子和溶剂分子已省略以求清晰。

图2系统评估了材料的吸附性能与分离效果。激活后的PWPN-1a（图2a）在移除苯分子后仍保持结构完整性，其比表面积达235 m² g⁻¹（图2b）。吸附实验显示，D₂O的平衡吸附容量高于H₂O（图2c），且动力学吸附中D₂O的吸附速率更快（图2d,e）。突破实验中，单组分D₂O的保留时间显著长于H₂O，而在80/20和90/10的D₂O/H₂O混合体系中，D₂O、HDO和H₂O的保留时间差异明显（图2f–h），证明材料能有效分离三者。此外，十次循环实验后材料性能稳定（图2i–k），显示出良好的可重复使用性。

图2：吸附性能分析与突破实验。 a，PWPN-1晶体的激活过程；b，PWPN-1a在195 K下的CO₂吸附等温线；c，PWPN-1a在298 K下H₂O和D₂O蒸气吸附曲线；d，PWPN-1a在298 K下H₂O和D₂O的时间依赖性吸附曲线；e，H₂O和D₂O在PWPN-1a中的扩散速率测定；f, g，PWPN-1a在298 K和1 bar下对D₂O/H₂O混合物（体积比80/20和90/10）的突破曲线；h，不同体积比下D₂O/H₂O混合物的突破时间比较；i，90/10 D₂O/H₂O混合物在298 K下的五次突破曲线；j，PWPN-1a在十次循环中对D₂O蒸气的吸附容量比较；k，十次突破循环实验前后PWPN-1a的粉末X射线衍射图谱。

图3通过结构分析揭示了分离的微观机制。在吸附H₂O和D₂O后，编织通道发生自适应扩张：H₂O吸附时通道边长由5.15 Å增至5.31 Å（图3d,e），而D₂O吸附时进一步扩展至5.60 Å（图3f）。八面体空腔在吸附后也发生膨胀（图3g–i），表明材料通过结构自适应区分并优先锚定D₂O分子。

图3：结构分析。 a–c，晶体结构：激活后（PWPN-1a）（a）；吸附H₂O后（H₂O@PWPN-1）（b）；吸附D₂O后（D₂O@PWPN-1）（c）；d–f，晶体结构中的编织通道：PWPN-1a（d）；H₂O@PWPN-1（e）；D₂O@PWPN-1（f）；g–i，晶体结构中的八面体腔：PWPN-1a（g）；H₂O@PWPN-1（h）；D₂O@PWPN-1（i）。

图4通过计算模拟深入探讨了分离机理。结合能计算显示D₂O在编织通道（Site-1）和八面体腔（Site-2）中的结合能均高于H₂O（图4a）。自由能表面分析识别出两条水分子迁移路径（Path-1和Path-2，图4b），其中D₂O在两条路径上的扩散能垒均高于H₂O（图4c,d），导致其扩散速率更慢（图4e–h），进一步解释了突破实验中D₂O保留时间更长的现象。

图4：PWPN-1a对D₂O/H₂O分离机制的计算研究。 a，D₂O和H₂O在Site-1（编织通道内，红色虚线圆）和Site-2（八面体腔内，蓝色虚线圆）的结合能差异（含零点能），插图为Site-1和Site-2位置的简化模型；b，H₂O在PWPN-1a中于298.15 K下的自由能表面，蓝点（Path-1）和红点（Path-2）表示水同位素体的可能迁移路径；c, d，D₂O（红色）和H₂O（黑色）沿Path-1（c）或Path-2（d）扩散的自由能剖面；e–h，水同位素体在PWPN-1a结构中的模拟扩散路径：Path-1沿c轴（e）和b轴（f）视图；Path-2沿c轴（g）和b轴（h）视图。

本研究从宏观编织材料中汲取灵感，成功将编织拓扑结构引入分子尺度，开发出具有自适应通道的多孔编织聚合物，实现了水同位素体在温和条件下的动态分离。该技术不仅为解决水同位素分离这一长期难题提供了新方案，也为分子编织材料在高效分离、特别是同位素化合物分离领域的应用开辟了广阔前景。

来源：高分子科学前沿

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