中国科学技术大学精准智能化学全国重点实验室徐铜文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授团队联合攻关，在氘代化学品制备领域取得突破性进展。研究团队创新性地利用双极膜实现重水(D?O)高效解离，首次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。该重要研究成果以“Synthesis of deuterated acids and bases using bipolar membranes”为题，于北京时间7月9日在国际学术期刊《自然》上在线发表。

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。

图1.双极膜在重水与水体系中解离对比(图1a：双极膜重水解离工作原理示意图;图1b：重水体系下膜堆电压升高现象;图1c：重水体系各区域电阻显著高于水体系;图1d：D?/OD?生成速率反超H?/OH?;图1e-f：钾离子溶剂化结构差异;图1h和1i：氘离子团簇(Zundel构型)脱水能垒计算

研究阐明了双极膜高效解离重水的核心机理(图1a)。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(图1b)。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远长于普通水解离(>45分钟)。分析表明，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(图1c)。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(图1d)，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(图1e-f);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，图1h)，导致其迁移速率差异近7倍。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。

图2. 双极膜重水解离制备多种氘代酸碱及其全流程评价

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(图2)。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(即五分之一)。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，环境友好特性突出，高度契合我国经济社会全面绿色低碳转型的战略方向。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。

中国科学技术大学闫军营博士后、蒋晨啸副研究员和曾雄志特任副研究员为本文共同第一作者。徐铜文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项的资助。