Mod opskalering af nanocages for at fange ædelgasser

I løbet af de sidste par år, videnskabsmænd har vist, hvordan bur-lignende, porøse strukturer lavet af silicium og oxygen, der kun måler en milliardtedel af en meter i størrelse, kan fange ædelgasser som argon, krypton, og xenon. Imidlertid, for at disse silica nanocages kan være praktisk nyttige - f.eks. for at forbedre effektiviteten af ​​atomenergiproduktion - de skal skaleres op fra deres laboratorieversioner. Forskerne har nu taget et skridt fremad med at bringe denne teknologi ud af laboratoriet og ind i den virkelige verden. Som de for nylig rapporterede i Lille, kommercielt tilgængelige materialer kan udgøre en potentielt skalerbar platform til indfangning af ædelgasser.

"At lave en kvadratcentimeter af vores laboratorieskala nanocages, som kun kan fange nanogram gas, tager os et par uger og kræver dyre startkomponenter og udstyr, " sagde medkorresponderende forfatter Anibal Boscoboinik, en materialeforsker i Interface Science and Catalysis Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory. "Der er kommercielle processer til at syntetisere tonsvis af disse silica nanocages, som er så billige, at de bruges som tilsætningsstoffer i beton. Imidlertid, disse kommercielle materialer fanger ikke ædelgasser, så en udfordring for at skalere vores teknologi var at forstå, hvad der er specielt ved vores nanocages."

En uventet opdagelse

Boscoboinik har ledet forskningen i nanocages på CFN siden 2014, efter en serendipitetshandling. Han og kolleger havde netop afsluttet et katalyseeksperiment med silica-nanokager aflejret på toppen af ​​en enkelt krystal af rutheniummetal, da de bemærkede, at individuelle atomer af argongas var blevet fanget inde i strukturens nanostørrelsesporer. Med dette tilfældige fund, de blev den første gruppe til at fange en ædelgas inde i en todimensionel (2D) porøs struktur ved stuetemperatur. I 2019, de fangede to andre ædelgasser inde i burene:krypton og xenon. I denne anden undersøgelse, de lærte, at for at fældefangsten skulle virke, to processer skulle ske:gasatomer skulle omdannes til ioner (elektrisk ladede atomer), før de kom ind i burene, og burene skulle være i kontakt med en metallisk støtte for at neutralisere ionerne, når de først var inde i burene – hvilket effektivt fangede dem på plads.

Med denne forståelse, i 2020, Boscoboinik og hans team indgav en patentansøgning, nu afventer. Samme år, gennem sin Technology Commercialization Fund (TCF), DOE Office of Technology Transitions valgte et forskningsforslag indsendt af CFN i samarbejde med Brookhaven Nuclear Science and Technology Department og Forge Nano for at opskalere de laboratorieudviklede nanocages. Målet med denne opskalering er at maksimere overfladearealet til at fange krypton og xenon, begge produkter fra nuklear fission af uran. At fange dem er ønskeligt for at forbedre effektiviteten af ​​atomreaktorer, forhindre driftssvigt på grund af stigende gastryk, reducere radioaktivt atomaffald, og opdage atomvåbenforsøg.

En start på opskalering

Sideløbende med TCF-indsatsen, CFN-teamet begyndte selvstændigt at undersøge, hvordan de kunne skalere nanocages til praktiske anvendelser, nukleare og videre. Under deres udforskninger, CFN-teamet fandt det firma, der fremstiller store mængder af silica-nanocages, i form af et pulver. I stedet for at deponere nanocages på enkeltkrystaller af ruthenium, holdet deponerede dem på tynde film af ruthenium, som er mindre omkostningskrævende. I modsætning til de laboratoriebaserede nanocages, disse nanocages har organiske (kulstofholdige) komponenter. Så, efter deponering af burene på de tynde film, de opvarmede materialet i et oxiderende miljø for at brænde disse komponenter af. Imidlertid, burene ville ikke fange nogen gasser.

"Vi fandt ud af, at metallet skal være i metallisk tilstand, " sagde første forfatter Yixin Xu, en kandidatstuderende i Materials Science and Chemical Engineering Department ved Stony Brook University. "Mens man brænder de organiske komponenter, vi oxiderer delvist ruthenium. Vi skal opvarme materialet igen i brint eller et andet reducerende miljø for at få metallet tilbage til dets metalliske tilstand. Derefter, metallet kan fungere som en elektronkilde til at neutralisere gassen inde i burene."

Næste, CFN-forskerne og deres samarbejdspartnere fra Stony Brook University testede, om det nye materiale stadig ville fange gasserne. For at gøre det, de udførte omgivende tryk røntgenfotoelektronspektroskopi (AP-XPS) ved In situ og Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) beamline ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en anden DOE Office of Science brugerfacilitet på Brookhaven Lab. I AP-XPS, Røntgenstråler ophidser en prøve, får elektroner til at blive udsendt fra overfladen. En detektor registrerer antallet og kinetiske energi af udsendte elektroner. Ved at plotte disse oplysninger, forskere kan udlede prøvens kemiske sammensætning og kemiske bindingstilstande. I dette studie, røntgenstrålerne var ikke kun vigtige for målingerne, men også for at ionisere gassen - her, xenon. De startede eksperimentet ved stuetemperatur og øgede gradvist temperaturen, at finde det optimale område for fældefangst (350 til 530 grader Fahrenheit). Uden for dette område, effektiviteten begynder at falde. Ved 890 grader Fahrenheit, det indespærrede xenon frigives fuldstændigt. Boscoboinik sammenligner denne komplekse temperaturafhængige proces med en elevatordør, der åbner og lukker.

"Forestil dig, at døren åbner og lukker ekstremt hurtigt, " sagde Boscoboinik. "Du skulle løbe ekstremt hurtigt for at komme ind. Som en elevator, nanocages har en pore "mund", der åbner og lukker. Den hastighed, hvormed burene åbner og lukker, skal passe godt til den hastighed, hvormed opvarmede gasioner bevæger sig for at maksimere chancen for, at ioner kommer ind i burene og bliver neutraliserede."

Efter disse eksperimenter, videnskabsmænd fra Universidad Nacional de San Luis i Argentina og University of Pennsylvania validerede denne elevatordørshypotese. Ved at anvende Monte Carlo-metoder - matematiske teknikker til at estimere mulige udfald af usikre begivenheder - modellerede de den mest sandsynlige hastighed af ionerne ved forskellige gastemperaturer. En anden samarbejdspartner ved Catalysis Center for Energy Innovation beregnede de energier, der kræves for xenon at forlade burene.

"Disse undersøgelser gav os information om de mekanistiske aspekter af processen, især på termiske effekter, " forklarede medkorresponderende forfatter og CFN-postdoktor Matheus Dorneles de Mello.

Successive trin til skalering

Nu, forskerne vil lave materialerne med et stort overfladeareal (et par hundrede kvadratmeter) og se, om de fortsætter med at fungere som ønsket. De vil også undersøge mere praktiske måder at ionisere gassen på.

Holdet overvejer flere potentielle anvendelser for deres teknologi. For eksempel, nanocages kan muligvis fange ædelgasser som xenon og krypton fra luften på en mere energieffektiv måde. I øjeblikket, disse gasser adskilles fra luften ved hjælp af en energikrævende proces, hvor luften skal afkøles til ekstremt lave temperaturer.

Xenon og krypton bruges til at fremstille mange produkter, såsom belysning. En af de vigtigste anvendelser af xenon er i højintensive udladningslamper, herunder nogle klare hvide billygter. Ligeledes, krypton bruges til lufthavnsbanelys og fotografiske blitz til højhastighedsfotografering.

Givet tidligere teoretiske beregninger, holdet mener, at deres proces også skal være i stand til at fange radioaktive ædelgasser, herunder radon. Findes almindeligvis i kældre og lavere niveauer af bygninger, radon kan beskadige lungeceller, potentielt kan føre til kræft. Denne evne til at fange radioaktive ædelgasser ville være relevant for flere anvendelser, såsom afhjælpning af frigivne radioaktive gasser, overvågning af nuklear ikke-spredning, og fremstilling af medicinsk relevante isotoper. CFN-teamet udforsker den medicinske applikation i samarbejde med Medical Isotope Research and Production Program i Brookhaven.

"I overfladevidenskab, grundlæggende undersøgelser fører ikke ofte til nyttige produkter med det samme, " sagde Boscoboinik. "Vi forsøger hurtigt at gå ind i at gøre noget virkningsfuldt med disse materialer ved at øge kompleksitetsniveauet et trin ad gangen."