近日，中國科學技術大學在氘代化學品制備領域取得突破性進展， 創新性地利用雙極膜實現重水（D2O）高效解離，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，顛覆了長期以來“重水解離速率慢”的傳統認知，并成功開發出低成本、高效率制備氘代酸和氘代堿的新技術。

▲雙極膜解離重水的實驗裝置

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大幅降低生產成本

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，同時在OLED等發光材料中具有重要應用，市場前景廣闊。

然而，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、濃縮能耗高等瓶頸問題。

本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。

▲雙極膜在重水與水體系中解離對比

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顛覆固有認知

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。

研究表明，重水體系中更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴散系數，共同導致了雙極膜電滲析膜堆電壓的顯著升高。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（>45分鐘）遠長于普通水解離。

分析顯示，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，這顛覆了數十年來對重水產酸堿速率的固有認知。

分子動力學模擬表明，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）遷移阻力，使其溶劑化殼層更穩定有序；其次，氘離子和質子在膜相內遷移能力存在差異。

通過第一性原理計算證實，膜相內氘離子團簇（Zundel構型）具有比質子團簇更低的脫水能壘（低1.08 kcal·mol-1），導致氘離子比氫離子在膜相內具有更快遷移速率。這表明 離子在膜相內的快速有序擴散顯著強化了雙極膜中間層的解離效率。

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為工業化奠定堅實基礎

基于此原理，研究團隊成功將技術拓展至多個體系，實現了包括氘代硫酸、氘代鹽酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化鉀、氘氧化鈉等在內的一系列氘代酸和氘代堿的高效制備。

▲雙極膜重水解離制備多種氘代酸堿及其全流程評價

以該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，該技術已成功完成工程放大， 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堅實基礎。

中國科學技術大學

責任編輯：王穎