近日，中国科学技术大学在氘代化学品制备领域取得突破性进展， 创新性地利用双极膜实现重水（D2O）高效解离，揭示了核量子效应导致膜层内氘离子（D+）迁移速率反超氢离子（H+）的现象，颠覆了长期以来“重水解离速率慢”的传统认知，并成功开发出低成本、高效率制备氘代酸和氘代碱的新技术。

▲双极膜解离重水的实验装置

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大幅降低生产成本

氘代酸和氘代碱是合成氘代药物、进行氢/氘（H/D）交换反应的关键原料，同时在OLED等发光材料中具有重要应用，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多样、反应条件苛刻、产物纯化困难、浓缩能耗高等瓶颈问题。

本研究以廉价的重水和无机盐为原料，在室温条件下利用双极膜电渗析技术直接高效解离重水，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。

▲双极膜在重水与水体系中解离对比

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颠覆固有认知

研究阐明了双极膜高效解离重水的核心机理。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，重水体系中更高的氘氧键键能和更低的离子扩散系数，共同导致了双极膜电渗析膜堆电压的显著升高。同时，更高的双极膜极限电流密度和溶液电阻，使得重水解离达到稳态所需时间（>45分钟）远长于普通水解离。

分析显示，重水体系下双极膜中间层解离电阻、膜层传质电阻及扩散边界层电阻均显著高于水体系。 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反而是氢离子/氢氧根离子的1.25倍，这颠覆了数十年来对重水产酸碱速率的固有认知。

分子动力学模拟表明，重水更高的粘度和更强的氢键网络增加了阳离子（如钾离子）迁移阻力，使其溶剂化壳层更稳定有序；其次，氘离子和质子在膜相内迁移能力存在差异。

通过第一性原理计算证实，膜相内氘离子团簇（Zundel构型）具有比质子团簇更低的脱水能垒（低1.08 kcal·mol-1），导致氘离子比氢离子在膜相内具有更快迁移速率。这表明 离子在膜相内的快速有序扩散显著强化了双极膜中间层的解离效率。

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为工业化奠定坚实基础

基于此原理，研究团队成功将技术拓展至多个体系，实现了包括氘代硫酸、氘代盐酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化钾、氘氧化钠等在内的一系列氘代酸和氘代碱的高效制备。

▲双极膜重水解离制备多种氘代酸碱及其全流程评价

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20%左右。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，该技术已成功完成工程放大， 具备年产3吨氘代酸碱的能力，为其工业化大规模生产奠定了坚实基础。

中国科学技术大学

责任编辑：王颖