Ny nanofælde beskytter miljøet

En ny type molekylær fælde på nanoskala gør det muligt for industrien at opbevare store mængder brint i små brændselsceller eller opfange, kompakt og fjern flygtig radioaktiv gas fra brugt atombrændstof i en overkommelig, let kommercialiseret måde.

Evnen til at justere størrelsen af ​​fældeåbningerne for at vælge specifikke molekyler eller for at ændre, hvordan molekyler frigives ved industrielt tilgængelige tryk, gør fælden enestående alsidig. Fælden er konstrueret af kommercielt tilgængeligt materiale og muliggjort gennem samarbejde på Argonne og Sandias nationale laboratorier.

"Dette introducerer en ny klasse af materialer til rensning af atomaffald, " sagde Tina Nenoff, en kemiker ved Sandia National Laboratories. "Dette design kan fange og fastholde omkring fem gange mere jod end nuværende materialeteknologier."

Organiske molekyler forbundet med metalioner i et molekylært Tinker Toy-lignende gitter kaldet en metal-organisk-ramme, eller MOF, danne fælden. Molekyler af radioaktivt jod eller kuldioxid eller endda brint til brug som brændstof kan trænge ind gennem vinduer i rammen.

Når der trykkes på, disse vinduer er forvrænget, forhindrer molekylerne i at forlade. Dette skaber et bur og en måde at vælge, hvad der skal fanges, baseret på molekylets form og størrelse.

Kompressionen forvandler også MOF fra en fluffy molekylær svamp, der fylder meget, til en kompakt pellet. Evnen til at komprimere store mængder gas til små mængder er et afgørende skridt til at udvikle brintgas som et alternativt brændstof til motorer.

Men hvad gør denne MOF, kaldet ZIF-8, Dens evne til at forvrænge vinduerne i rammen og fange store mængder gas ved relativt lave tryk, er drastisk forskellig fra design skabt i løbet af det sidste årti. ZIF-8 tager omkring det dobbelte af trykket af en skrotpladsbilkomprimator, hvilket er omkring 10 gange mindre tryk end nødvendigt for at komprimere andre sammenlignelige zeolit ​​MOF'er.

Dette skaber en miljøvenlig proces, der er inden for rækkevidde af eksisterende industrimaskiner, kan produceres i stor skala og er økonomisk rentabel.

ZIF-8 er sammensat af zinkkationer og organiske imidazolat-baserede linkere. Rammens topologi er analog med sodalit-en velkendt zeolit.

Brugen af ​​andre tilgængelige porøse MOF'er er begrænset til små partier, fordi specialiseret videnskabeligt udstyr er nødvendigt for at påføre den store mængde tryk, de kræver for at komprimere til en position, der vil bevare den nye form, der fanger gassen. Dette gør dem ikke kommercielt levedygtige.

Chapman og hendes kolleger hos Argonne brugte røntgenstråler fra Advanced Photon Source til at perfektionere lavtryksteknikken til at lave MOF'erne til tætte pellets. Den forvrængning af det molekylære skelet, der opstår under processen, reducerer ikke gaslagringskapaciteten væsentligt.

"Disse MOF'er har vidtrækkende anvendelser, " sagde Karena Chapman, en videnskabsmand ved Argonne National Laboratory, som blev inspireret til at udforske lavtryksbehandlinger for MOF'er af hendes erfaringer med at arbejde med fleksible MOF'er til brintlagring. Forud for dette arbejde, mest højtryks videnskabelig forskning, såsom udvikling af MOF'er, tog udgangspunkt i jordstudier, hvor omfattende tryk forårsager overgange i geologiske materialer.

Med pelletprocessen udført, videnskabsmændene aflyttede Nenoff ved Sandia for at finde den helt rigtige type molekyle til MOF's struktur for at udvide dets anvendelse fra brint- og kuldioxidopsamling. Nenoff og hendes team havde identificeret ZIF-8 MOF som ideelt egnet til at adskille og fange radioaktive jodmolekyler fra en strøm af brugt atombrændstof baseret på dets porestørrelse og store overfladeareal.

Dette markerer et af de første forsøg på at bruge MOF'er på denne måde. Dette giver muligheder for at rydde op i atomreaktorulykker og for oparbejdning af brændsel. Lande som Frankrig, Rusland og Indien genvinder fissile materialer fra radioaktive komponenter i brugt nukleart brændsel for at levere frisk brændsel til kraftværker. Dette reducerer mængden af ​​nukleart affald, der skal opbevares. Radioaktivt jod har en halveringstid på 16 millioner år.

Forskerholdet fortsætter med at se på forskellige MOF-strukturer for at øge mængden af ​​jodlagring og bedre forudsige, hvordan miljøforhold som f.eks. fugt vil påvirke opbevaringstiden.