Молекулярные кристаллы, открытые исследовательской группой из Хьюстонского университета, обладают способностью захватывать йод — один из наиболее распространенных радиоактивных продуктов деления. Эти универсальные кристаллы представляют потенциальное применение не только в обращении с ядерными отходами, но и в других областях, связанных с энергетикой.
В мире, где все больше беспокоятся о экологических и геополитических последствиях использования ископаемого топлива, ядерная энергия снова привлекает внимание. Её способность производить электроэнергию в больших масштабах без выбросов парниковых газов делает её перспективным источником чистой энергии, способной помочь обществу перейти к нулевому углеродному будущему. Однако, производство ядерной энергии неизбежно приводит к образованию радиоактивных отходов. Безопасное обращение с этими отходами является критически важной задачей, чтобы обрести доверие общественности к данному энергетическому решению.
В связи с этим, группа исследователей из Университета Хьюстона представила инновационное решение для обращения с ядерными отходами: молекулярные кристаллы на основе гидразонов циклотетрабензила. Эти кристаллы, основанные на новом открытии, сделанном командой в 2015 году, обладают способностью улавливать йод — один из наиболее распространенных радиоактивных продуктов деления — в водных и органических растворах, а также на границе между ними.
Особенно важно, что эти кристаллы способны захватывать йод на границах, что предотвращает его проникновение и повреждение специальных лакокрасочных покрытий, используемых в ядерных реакторах и контейнерах для хранения отходов. Это открытие представляет собой значимый шаг в области обращения с ядерными отходами.
Кристаллы проявляют удивительную эффективность в улавливании йода и конкурируют с пористыми металлоорганическими каркасами (MOF) и ковалентными органическими каркасами (COF), которые ранее считались лидерами в области материалов для захвата йода.
Исследователь Александра Роблес, первый автор статьи и бывший докторант, который начал свою диссертацию на основе этого исследования, проводил работу с кристаллами в лаборатории Миляника, когда сделала это открытие. Её интерес к поиску решения для ядерных отходов побудил её исследовать использование кристаллов для улавливания йода. Это исследование финансировалось Национальным научным фондом.
«В конечном итоге, мы обнаружили, что эти кристаллы способны захватывать йод на границе между органическим и водным слоями, что является малоизученным явлением», — сообщил Миляник. Он отметил, что эта уникальная особенность предоставляет кристаллам решающее преимущество. «Когда материал улавливается между органическим и водным слоями, он эффективно препятствует перемещению йода из одного слоя в другой».
Этот процесс не только обеспечивает сохранность покрытий реактора и повышает герметичность, но и позволяет перемещать пойманный йод из одной зоны в другую. «Идея заключается в том, что вы удерживаете йод там, где он сложно управляем, а затем выпускаете его там, где его легко контролировать», — пояснил Миляник.
Другим преимуществом этой «поймай и отпусти» технологии является возможность повторного использования кристаллов. «Если загрязняющее вещество просто прилипает к реагенту, то его придется выбросить», — отметил он. «Это приводит к увеличению отходов и экономическим потерям».
Конечно, все эти перспективы требуют дальнейшего исследования на практике, что заставляет Миляника задуматься о следующих шагах.
Группа исследователей Миляника разрабатывает эти маленькие органические молекулы, состоящие только из атомов углерода, водорода и кислорода, используя коммерчески доступные химические вещества.
Осминог
Каждый кристалл имеет кольцеобразную структуру с восемью линейными «ветвями», что привело к прозвищу «Осьминог» , так назвала исследовательская группа.
«Их производство достаточно просто, и их можно создавать в больших объемах из относительно доступных материалов без использования специальной защитной атмосферы», — объяснил Миляник.
По его оценкам, в настоящее время стоимость производства этих кристаллов составляет около 1 доллара за грамм в академических лабораториях, но в промышленных условиях она может значительно снизиться.
Эти универсальные кристаллы обладают высокой адаптивностью и способностью захватывать не только йод, но и другие вещества. Команда Миляника использовала некоторые из них для улавливания углекислого газа, что представляет еще один важный шаг к созданию более чистого и устойчивого мира. Также, молекулы «Осьминога» тесно связаны с молекулами, используемыми в материалах для литий-ионных аккумуляторов, что открывает новые перспективы в области энергетики.
«Это простые молекулы, способные выполнять различные функции в зависимости от интеграции с остальными компонентами системы», — рассказал Миляник. «Поэтому у нас также есть идеи для других применений».
Он в восторге от множества возможностей, которые открываются с этими кристаллами, и с нетерпением ждет их дальнейшего практического исследования. Следующей целью является поиск партнеров, которые помогут ученым изучить различные коммерческие аспекты.
Тем временем исследователи намерены продолжить изучение кинетики и поведения этих кристаллических структур, чтобы улучшить их свойства еще больше.
По материалам: uh.edu
Ядерные отходы, это не шутка. Решение такой проблемы, очень большой шаг.