導讀

近日，中國科學技術大學精準智能化學全國重點實驗室徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授團隊聯合攻關，在氘代化學品制備領域取得突破性進展。研究團隊創新性地利用雙極膜實現重水高效解離，發現了核量子效應導致膜層內氘離子遷移速率反超氫離子的現象，顛覆了長期以來“重水解離速率比水慢”的傳統認知，并成功開發出低成本制備氘代酸堿的新技術。7月9日，該重要研究成果在線發表于《自然》（

Nature

2025年初至今

中國科大以第一署名及通訊單位在

Nature、Science、Cell

三大國際頂尖刊物（CNS）上

共計發表了10篇成果

雙極膜重水解離示意圖及理論模擬

氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進行氫/氘交換反應的關鍵原料，同時在有機發光二極管（OLED）器件壽命提升具有重要應用，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、反應條件苛刻、產物純化困難、過程能耗高等瓶頸問題。

雙極膜內氘離子遷移示意圖與制備氘代酸堿性能

此次研究以廉價的無機鹽和重水為原料，在室溫條件下利用雙極膜解離重水，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。

雙極膜解離重水的實驗裝置

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，與水體系相比，重水更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴散系數導致膜堆電壓顯著升高；尤其是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是氫離子/氫氧根離子的1.25倍，這顛覆了重水解離速率慢的固有認知。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遷移阻力，使其溶劑化殼層更穩定有序；其次，膜相內氘離子團簇具有比質子團簇更低的脫水能壘，導致氘離子比氫離子在膜相內具有更快遷移速率。

徐銅文（左一）研究團隊在討論實驗進展

基于此原理，研究團隊成功將技術拓展至多種體系，實現了包括氘代硫酸、氘代鹽酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化鉀、氘氧化鈉等一系列氘代酸堿試劑的高效制備。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五分之一。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，高度契合我國經濟社會全面綠色低碳轉型的戰略方向。目前，該技術已成功完成3噸/年氘代酸堿的中試放大，為其工業化大規模生產奠定了堅實基礎。

研究團隊合影

《自然》的審稿人對該工作給予了高度評價，認為“是雙極膜創新性應用”(to be a creative application of a bipolar membrane system)；“首次實現雙極膜重水解離制氘代酸堿”（To the best of my knowledge (including a search in literature), this work is the first to introduce heavy water in bipolar membrane electrodialysis for producing deuteride acids and bases）；“作者找到了雙極膜的完美應用領域，該技術具有高度靈活、便捷、高效等優點；該平臺技術能顯著加速研究進程，并大幅提升氘代分子相關實驗方法的可及性?！保╰he authors found a perfect niche for this technology, … is highly flexible, modular, and robust… The suggested platform could significantly accelerate research and increase accessibility to procedures using deuterized molecules）。

中國科大閆軍營博士后、蔣晨嘯副研究員和曾雄志特任副研究員為論文共同第一作者。徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授為共同通訊作者。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09274-7

來源：中國科學技術大學