黄飞鹤/李光锋/肖丁团队和刘明团队，Nature Synthesis！

导读

重水（D2O）是核能、医疗等领域的关键战略资源，但其自然丰度极低，仅约为0.015%。由于H2O与D2O在尺寸和化学性质上高度相似，传统分离方法如蒸馏、电解等存在能耗高、效率低的问题，因此开发高效、节能的水同位素体分离技术一直是科研界面临的重大挑战。

浙江大学黄飞鹤/李光锋/肖丁团队与刘明研究员团队合作，报道了一种多孔分子编织材料（PWPN-1），在室温条件下实现了对水同位素体H2O和D2O的动态精准分离。 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。相关研究成果以题为“A porous molecularly woven fabric for dynamic separation of water isotopologues”的论文最近发表于《Nature Synthesis》上，黄飞鹤教授、李光锋研究员、刘明研究员为本文通讯作者，肖丁研究员、胡丁月博士、杨思源博士与杨雪博士为本文第一作者。

作者首先介绍了两种不同的水同位素体分离策略。静态共吸附分离（图1a）通过将材料直接浸入同位素混合物，依次完成吸附与脱附过程；而动态共吸附分离（图1b）则借助压力驱动混合物连续流经填充柱，更具实际应用前景。PWPN-1的晶体结构显示，其由二维编织层（图1c）通过榫卯堆叠形成的三维网络（图1d），这种编织与榫卯结合的构筑策略，不仅构建出连续的编织通道（图1e），还形成独特的八面体空腔，为后续吸附与扩散行为提供了结构基础。

图1. 水同位素体分离策略的概念总结与编织聚合物单晶PWPN-1的晶体结构。

作者采用容量法、重量法以及穿透实验系统评估了材料的吸附性能与分离效果。活化后的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。

吸附H2O和D2O后获得的单晶结构，为揭示其分离机制提供了直接证据。结构分析表明，材料的编织通道在吸附后发生了差异化的自适应扩张：吸附H2O时，通道边长从5.15 Å扩展至5.31 Å（图3d,e）；而在吸附D2O时，则进一步扩张至5.60 Å（图3f）。同时，八面体空腔也出现相应膨胀（图3g-i）。这一系列精确的结构响应，表明材料能够通过其结构柔性精准识别D2O分子并实现优先锚定。

图3. 活化及吸附H2O与D2O后的晶体结构分析。

为深入探究H2O与D2O的扩散行为差异，作者开展了系统的计算模拟。结合能计算表明，D2O在编织通道（Site-1）和八面体空腔（Site-2）中的结合能均高于H2O（图4a），说明其与骨架之间存在更强相互作用。自由能表面分析进一步识别出两条水分子迁移路径（Path-1与Path-2，图4b），其中D2O在两条路径上的扩散能垒均高于H2O（图4c–h）。这一结果与突破实验中D2O保留时间更长的现象直接关联，从能量层面揭示了分离机制的本质。

图4. PWPN-1a对D2O/H2O分离机制的计算研究。

这项研究借鉴了宏观编织材料在分离领域的应用理念，设计并合成了一种由配位 B−N 键驱动的多孔分子编织材料。凭借其独特的编织通道结构和丰富的自适应节点，该材料在温和条件下实现了水同位素体 D2O和H2O的动态分离。该动态分离过程符合工业应用需求，为长期存在的水同位素分离技术难题提供了新的解决思路。更重要的是，本研究成功地将编织拓扑结构的独特分离特性从宏观尺度拓展至分子尺度，实现了高附加值化学品的精确分离，使分子编织材料从结构层面的探索迈向实际应用，特别是在分离领域，为化学品，尤其是同位素化合物的高效分离开辟了新的途径。

本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和浙江省“尖兵”研发攻关计划等的支持。

来源：浙江大学化学系