【科技日报】双极膜重水解离技术 实现低成本制备氘代酸碱

记者7月17日从中国科学技术大学获悉，该校教授徐铜文、特任教授汪耀明和教授李震宇团队联合攻关，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。该研究颠覆了长期以来“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。相关研究论文日前在线发表于国际期刊《自然》。

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）器件寿命提升方面具有重要作用，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。

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。

研究阐明了双极膜高效解离重水的核心机理，即在反向偏压作用下，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使膜堆电压显著升高。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。

基于此，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。目前，该技术已成功完成3吨/年氘代酸碱的中试放大，为工业化大规模生产奠定了坚实基础。