Isotopic separation of helium through graphyne membranes: a ring polymer molecular dynamics study

文献情報

出版日 2021-08-11
DOI 10.1039/D1CP02121D
インパクトファクター 3.676
著者

Marta I. Hernández, José Campos-Martínez, Yury V. Suleimanov


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要旨

Microscopic-level understanding of the separation mechanism for two-dimensional (2D) membranes is an active area of research due to potential implications of this class of membranes for various technological processes. Helium (He) purification from the natural resources is of particular interest due to the shortfall in its production. In this work, we applied the ring polymer molecular dynamics (RPMD) method to graphdiyne (Gr2) and graphtriyne (Gr3) 2D membranes having variable pore sizes for the separation of He isotopes, and compare for the first time with rigorous quantum calculations. We found that the transmission rate through Gr3 is many orders of magnitude greater than Gr2. The selectivity of either isotope at low temperatures is a consequence of a delicate balance between the zero-point energy effect and tunneling of 4He and 3He. In particular, a remarkable tunneling effect is reported on the Gr2 membrane at 10 K, leading to a much larger permeation of the lighter species as compared to the heavier isotope. RPMD provides an efficient approach for studying the separation of He isotopes, taking into account quantum effects of light nuclei motions at low temperatures, which classical methods fail to capture.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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