同位素是指具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)（或中子數(shù)）不同的核素。同位素的分離技術(shù)在核燃料循環(huán)、核廢料處理等方面具有重要應(yīng)用，然而由于同位素之間的分子內(nèi)結(jié)構(gòu)和分子間相互作用具有極大的相似性，因此分離同位素非常困難。氘（D）作為氫（H）的重要穩(wěn)定同位素，也稱為“重氫”，高純氘在武器制造、工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究中具有不可替代的作用，可廣泛應(yīng)用于非放射性同位素跟蹤、中子散射和核聚變等，是國防科技和核能工業(yè)的重要戰(zhàn)略物資。目前，工業(yè)上的D₂/H₂分離技術(shù)面臨能耗過高和分離步驟繁復(fù)等諸多挑戰(zhàn)。例如，在工業(yè)應(yīng)用中采用鈀膜進(jìn)行分離時(shí)需要在高溫（400 ℃）條件下進(jìn)行多次分離操作，消耗大量能源，同時(shí)其單次分離效率極低（分離系數(shù)為1.3）。此外，單熱NH₃/H₂交換法等其他分離方法不僅能量消耗大，還會(huì)伴隨著有毒和腐蝕性物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成污染等問題。目前全球最新研究主要集中于利用具有量子篩分效應(yīng)的納米孔材料進(jìn)行D₂/H₂的分離，然而，該方法需要在超低溫度（零下243 ℃）下進(jìn)行，也會(huì)耗費(fèi)大量能源。因此，在溫和環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)D₂/H₂的高效分離仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，合作團(tuán)隊(duì)通過Pd²⁺與晶態(tài)多孔有機(jī)框架（CPOF-1）孔道內(nèi)羥基和希夫堿的相互作用，成功在CPOF-1孔道內(nèi)制備了超小的Pd納米顆粒（~1.1 nm）（圖1）。此外，CPOF-1孔道的空間限域效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了Pd納米顆粒的反應(yīng)活性，最終使Pd在室溫下便可對(duì)D₂進(jìn)行選擇性的化學(xué)吸附。

隨后，合作團(tuán)隊(duì)通過原位傅里葉變換紅外光譜（圖2）、熱脫附譜和理論計(jì)算（圖3）對(duì)Pd@CPOF-1的D₂/H₂分離機(jī)理和過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在CPOF-1骨架與Pd納米顆粒構(gòu)成的限域空間內(nèi)，由于同位素效應(yīng)，D₂具有更低的吸附能，更容易被Pd簇吸附。因此D₂/H₂混合物在室溫下的穿透過程中，D₂與Pd之間通過化學(xué)吸附被保留在材料內(nèi)，而H₂則會(huì)隨著氣體流動(dòng)被洗脫，最終實(shí)現(xiàn)了室溫下（25 ℃）的高效D₂/H₂分離（圖4）。

該工作提出了一種低能耗、低成本、高效率的溫和環(huán)境條件下氕/氘同位素分離新概念，并基于該理論提出新的氕/氘同位素低能耗分離解決方案。