Onderzoekers van het Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) Energy Frontier Research Center kwantificeerden transiënte penta-gecoördineerde Al3+-soorten tijdens de kristallisatie van gibbsiet uit waterhoudende aluminiumgels in oplossingen van geconcentreerd natriumhydroxide. Het onderzoek toont aan dat geconcentreerde elektrolyten in oplossing de waterstofbinding beïnvloeden, ion interacties, en coördinatiegeometrieën op momenteel onvoorspelbare manieren.

Deze mechanistische studies ondersteunen de ontwikkeling van nieuwe processchema's om de verwerking van radioactief afval op twee locaties van het Department of Energy te versnellen. Verder, de studies kunnen minder energie-intensieve routes voor industriële aluminiumproductie opleveren.

Gibbsiet (α-Al(OH)3) is een belangrijke minerale hulpbron voor de industriële aluminiumproductie. Het is ook in grote hoeveelheden aanwezig in de tanks voor hoogradioactief afval op locaties van het Amerikaanse ministerie van Energie in de staat Washington en South Carolina. Traditionele verwerking voor de productie van aluminium of de behandeling van radioactief afval is een energie-intensieve activiteit. De verwerking omvat verwarming om het oplossen van gibbsiet in sterk alkalische oplossingen van geconcentreerde elektrolyten te vergemakkelijken. Verwarming wordt gevolgd door koeling om neerslag van deze chemisch extreme systemen aan te moedigen.

Voor de behandeling van radioactief afval, de oplos- en precipitatiestappen zijn vaak vrij traag. Waarom? Gedeeltelijk, beide processen omvatten veranderingen in de coördinatiegeometrie van het driewaardige aluminium. In de vaste fase, het is zes coördinaten om een ​​octaëdrische geometrie te geven. Om naar de oplossingsfase te gaan, het aluminiumion moet zijn geometrie veranderen in een tetraëdrische vorm met vier coördinaten.

Onder leiding van Jian Zhi Hu en Kevin Rosso, het team voerde spectroscopieonderzoeken met kernspinresonantiespectroscopie met een hoogveldmagische hoek uit die ioneninteracties onderzochten, opgeloste organisatie, en oplosmiddeleigenschappen tijdens gibbsietprecipitatie. Het team legde de realtime systeemdynamiek vast als een functie van experimentele omstandigheden, onthullende voorheen onbekende mechanistische details.

Het werk van het team laat zien dat de verandering in coördinatie geen eenvoudige overgang is tussen de tetraëdrische naar de octaëdrische soort. De verandering omvat een tussenliggend penta-gecoördineerd aluminium metalen centrum. Verder, deze soorten worden beïnvloed door subtiele veranderingen in de organisatie van opgeloste stoffen en oplosmiddelen. Deze veranderingen leiden tot gelnetwerken die soms de vorming of oplossing van de vaste fase kunnen vergemakkelijken. Begrijpen hoe de aluminiumcoördinatie verandert in extreme omgevingen kan leiden tot efficiëntieverbeteringen in de aluminiumproductie en de verwerking van radioactief afval versnellen.