원자력 발전소에서는 에너지 집약적으로 생산된 중수가 냉각수로 사용된다. 단 1 킬로그램의 중수를 생산하기 위해 일년 내내 평균적인 미국 가정에 전력을 공급하기에 충분한 에너지가 소비된다. 연구진은 그래핀 필터를 사용하여 에너지 효율이 높고 확장 가능한 중수 제조 방법을 개발했다.

새로운 개발은 매년 최대 백만 톤까지 중수 생산과 관련된 CO2 배출 감소로 이어질 수 있다.

"Scalable and efficient separation of hydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping"라는 제목으로 Nature Communications에 게재된 연구에서 단지 30m2의 그래핀 막이 기존의 중수 생산 시설에 비견할 만한 양의 중수를 생산할 수 있음을 보여주었다.

그래핀은 수소의 다른 동위 원소 분리에 효과적인 필터이다. 자연수는 중수소를 0.015 % 포함하고 있어 중수 추출은 집중적인 다단계 프로세스이다.

그래핀 필터 멤브레인을 만들기 위해 연구팀은 화학 기상 증착법으로 성장한 그래핀을 유연한 고분자 필름으로 옮겼다. 수소 이동 속도를 높이기 위해 팔라듐 나노 입자를 그래핀 표면에 증착시켜 촉매로 작용시켰다. 그래핀 필름을 전도성 카본 크로스로 끼운다. 멤브레인을 가로 질러 전위를 가하면 그래핀을 통해 수소가 펌핑되어 중수소와 분리된다.

연구팀의 그래핀 필터는 기존 중수 시설보다 100 배 적은 에너지를 필요로 하여 원자력 발전소의 산업 생산 비용을 줄이고 에너지 효율을 높여준다. 프로토 타입 멤브레인은 롤투롤(roll-to-roll) 제조 공정을 이용하여 대량 생산할 수 있다.

삼중 수소는 수소의 또 다른 동위 원소이며 양성자와 두 개의 중성자를 포함하고 있다. 그래핀 멤브레인은 삼중 수소 분리 및 오염 제거에 더욱 효율적일 것으로 기대된다.