研究背景
來自核設施的氚水排放對環境構成重大風險，并威脅到核能的可持續發展。然而，由于水的同位素分子之間幾乎無法區分的物理化學性質，實現深度脫氚仍然是一項重大挑戰。在此，蘇州大學王殳凹教授團隊在“Nature Sustainability”期刊上發表了題為“Catalytic proton exchange in water distillation for efficient tritiated water clean-up”的最新論文。他們提出了一種基于催化質子交換的高效氫同位素分離工藝。金屬有機框架 MIL-101(Cr) 所提供的獨特催化促進質子轉移路徑，顯著降低了同位素交換的能壘，達到了前所未有的水平。將 MIL-101(Cr) 引入水蒸餾（WD）系統，實現了固-液-氣三相質量傳遞，從而突破了傳統 WD 依賴液-氣兩相同位素交換的熱力學限制。所建立的 WD 原型裝置的理論塔板高度減半，相較于現有 WD 系統，其分離效率在10米蒸餾塔中提高了四個數量級。該研究提供了一種工業上可行且可擴展的氚水凈化方案。
研究亮點
(1) 實驗首次提出基于催化質子交換（CPE）的氫同位素分離工藝，并成功將其引入水蒸餾（WD）系統，實現了對氚水的高效凈化。(2) 實驗通過在水蒸餾系統中引入金屬有機框架材料 MIL-101(Cr)，構建了氣-液-固三相質量傳遞機制，有效突破了傳統水蒸餾中液-氣兩相交換的熱力學限制。(3) 研究發現，MIL-101(Cr) 獨特的催化質子轉移路徑顯著降低了氚同位素交換的能壘，從而提高了同位素分離效率。(4) 通過在10米高的蒸餾塔中進行測試，結果表明該方法使塔板高度降低了一半，分離效率提升了四個數量級，大幅度減少了能耗和操作成本。
圖文解讀
圖2：MIL-101(Cr)中同位素交換的理論計算。 圖3：MIL-101(Cr)中同位素交換的實驗證據。圖4：將催化質子交換（CPE）與WD耦合以凈化氚水。
總結展望
本研究所提出的 CPE-WD 系統是一種新一代氚去除方案，具有良好的工業化潛力。改性 MIL-101(Cr) 填料中獨特的催化促進質子轉移路徑，使氚能夠高效富集于固相，從而突破了傳統僅依賴氣-液質量傳遞的水蒸餾技術的熱力學限制。與文獻報道的填料在相同條件下的傳統水蒸餾系統相比，該 CPE-WD 原型實現了最佳的氚去除性能。該研究為未來工業化氚去除工藝的發展奠定了基礎，并為同位素分離提供了新的研究思路。Liu, H., Yang, Q., Luan, N. et al. Catalytic proton exchange in water distillation for efficient tritiated water clean-up. Nat Sustain (2025). https://doi.org/10.1038/s41893-025-01537-5
