科學家首次利用雙極膜重水解離實現氘代酸堿低成本制造

　　近日，中國科學技術大學精準智能化學全國重點實驗室教授徐銅文、特任教授汪耀明和教授李震宇團隊，在氘代化學品制備領域取得突破性進展。該團隊創新性地利用雙極膜實現重水（D2O）高效解離，首次揭示了核量子效應導致膜層內氘離子（D+）遷移速率反超氫離子（H+）的現象，顛覆了“重水解離速率慢”的傳統認知，并開發出低成本、高效率制備氘代酸和氘代堿新技術。

　　氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進行氫/氘（H/D）交換反應的關鍵原料，在OLED等發光材料中具有重要應用前景。當前，氘代酸堿的生產普遍存在工藝復雜多樣、反應條件苛刻、產物純化困難、濃縮能耗高等問題。

　　該研究以廉價的重水和無機鹽為原料，在室溫條件下利用雙極膜電滲析技術直接高效解離重水，一步生成高濃度的氘代酸和氘代堿，大幅降低了生產成本，有望為下游眾多氘代化學品提供經濟、優質的氘代酸堿原料。

　　該研究闡明了雙極膜高效解離重水的核心機理。在反向偏壓作用下，雙極膜中間層離子定向遷出，解離產生的氘離子和氘氧根離子成為氘代酸堿的來源。研究發現，重水體系中更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴散系數共同導致雙極膜電滲析膜堆電壓顯著升高。同時，更高的雙極膜極限電流密度和溶液電阻使得重水解離達到穩態所需時間遠長于普通水解離。分析表明，重水體系下雙極膜中間層解離電阻、膜層傳質電阻及擴散邊界層電阻均顯著高于水體系。在消耗相同電荷量的情況下，氘離子/氘氧根離子的生成速率反而是氫離子/氫氧根離子的1.25倍，這顛覆了關于重水產酸堿速率的固有認知。分子動力學模擬發現，重水更高的粘度和更強的氫鍵網絡增加了陽離子如鉀離子的遷移阻力，使其溶劑化殼層更穩定有序；氘離子和質子在膜相內遷移能力存在差異。第一性原理計算證實，膜相內氘離子團簇具有比質子團簇更低的脫水能壘，導致其遷移速率差異近7倍。這表明，離子在膜相內的快速有序擴散強化了雙極膜中間層的解離效率。

　　基于上述原理，研究人員將新技術拓展至多個體系，實現了氘代硫酸、氘代鹽酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化鉀、氘氧化鈉等一系列氘代酸和氘代堿的高效制備。以雙極膜重水解離技術為核心的氘代酸堿制備平臺，平均生產成本僅為傳統工藝的20%左右。整個生產過程無需使用強腐蝕性試劑或重金屬催化劑，排放趨近于零，環境友好特性突出。目前，這一技術已完成工程放大，具備年產3噸氘代酸堿的能力，為其工業化大規模生產奠定了基礎。

　　7月9日，相關研究成果以Synthesis of deuterated acids and bases using bipolar membranes為題，在線發表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項的支持。