中国科技大学采用低成本的双极膜制备了一代酸碱

近日，中国科技大学精准智能化学国家重点实验室教授徐铜文、特任教授汪耀明、教授李震宇团队联合解决关键问题，在代化工产品制备领域取得突破。研究小组创新性地利用双极膜实现重水高效解离，发现核量子效应导致膜层离子迁移速度超过氢离子，颠覆了长期以来“重水解离速度慢于水”的传统认知，成功开发了制备代化酸碱的低成本新技术。7月9日，重要研究成果在网上公布。

代酸和代碱是生成代药和氢/氢交换反应的关键原料。同时，它们在提高有机发光二极管设备的使用寿命方面有着重要的应用，具有广阔的市场前景。但目前代酸碱生产普遍存在工艺复杂、反应条件苛刻、产品净化困难、工艺能耗高等瓶颈问题。

本研究以廉价的碳酸盐和重水为原料，利用双极膜在室温环境下解离重水，一步生成高浓度的代酸和代碱，大大降低了生产成本，有望为下游许多代化工产品提供经济优质的代酸碱原料。

研究澄清了双极膜高效解离重水的关键机制。在反向偏压的影响下，双极膜中间层离子定向迁移，解离产生的离子和离子氧根离子成为离子酸碱的来源。研究发现，与水系统相比，重水较高的离子氧键能和较低的离子扩散系数导致膜堆电压大幅上升;特别是在消耗相同电荷的情况下，离子/离子氧根离子的形成速度是氢离子/氢氧根离子的1.25倍，颠覆了重水解离速度较慢的固有认知。分子动力学模拟表明，重水的粘度更高，离子越强，氢阻力越强。

基于这一原理，研究团队成功将技术扩展到多个系统，完成了一系列含有代盐酸、代硫酸、氟化邈、代硝酸、代氧化钾、氧化钠等的代硫酸碱试剂的高效制备。以双极膜重水解离技术为核心的代硫酸碱制备平台，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，环境友好特点突出，与我国经济社会全面绿色低碳转型的战略方向高度契合。目前，该技术已成功完成3吨/年的工业试验。

审稿人对这项工作给予了高度评价，认为“是双极膜创新应用”;二极膜重水解离制剂中的酸碱首次实现。;“作者发现了双极膜的完美应用领域，具有高度灵活、方便、高效的优点。该平台技术可以显著加快研究过程，大大提高与分子相关的实验方法的普遍性。”