Een nieuw type moleculaire val op nanoschaal maakt het voor de industrie mogelijk om grote hoeveelheden waterstof op te slaan in kleine brandstofcellen of af te vangen, compact en verwijder vluchtig radioactief gas uit verbruikte splijtstof op een betaalbare, gemakkelijk te commercialiseren manier.

De mogelijkheid om de grootte van de valopeningen aan te passen om te selecteren op specifieke moleculen of om te veranderen hoe moleculen worden vrijgegeven bij industrieel toegankelijke druk, maakt de val uniek veelzijdig. De val is gemaakt van in de handel verkrijgbaar materiaal en is mogelijk gemaakt door samenwerking in de nationale laboratoria van Argonne en Sandia.

"Dit introduceert een nieuwe klasse materialen voor de sanering van nucleair afval, " zei Tina Nenoff, een chemicus bij Sandia National Laboratories. "Dit ontwerp kan ongeveer vijf keer meer jodium opvangen en vasthouden dan de huidige materiaaltechnologieën."

Organische moleculen aan elkaar gekoppeld met metaalionen in een moleculaire schaal Tinker Toy-achtig rooster genaamd een metaal-organisch-raamwerk, of MOF, de val vormen. Moleculen van radioactief jodium of kooldioxide of zelfs waterstof voor gebruik als brandstof kunnen door ramen in het raamwerk binnendringen.

Zodra er druk wordt uitgeoefend, deze ramen zijn vervormd, voorkomen dat de moleculen weggaan. Dit creëert een kooi en een manier om te selecteren wat te vangen op basis van de vorm en grootte van het molecuul.

De compressie verandert de MOF ook van een pluizige moleculaire spons die veel ruimte inneemt in een compacte pellet. Het vermogen om grote hoeveelheden gas in kleine volumes te comprimeren is een cruciale stap in de ontwikkeling van waterstofgas als alternatieve brandstof voor motoren.

Maar wat maakt deze MOF, genaamd ZIF-8, Het vermogen om de ramen in het raamwerk te vervormen en grote hoeveelheden gas bij relatief lage druk op te vangen, verschilt enorm van de ontwerpen die in het afgelopen decennium zijn gemaakt. ZIF-8 neemt ongeveer twee keer de druk op van een autoverdichter op een autokerkhof, dat is ongeveer 10 keer minder druk dan nodig is om andere vergelijkbare zeoliet-MOF's te comprimeren.

Hierdoor ontstaat een milieuvriendelijk proces dat binnen het bereik ligt van bestaande industriële machines, kan op grote schaal worden geproduceerd en is financieel haalbaar.

De ZIF-8 is samengesteld uit zinkkationen en op organische imidazolaat gebaseerde linkers. De topologie van het raamwerk is analoog aan sodaliet - een bekende zeoliet.

Het gebruik van andere beschikbare poreuze MOF's is beperkt tot kleine batches omdat gespecialiseerde wetenschappelijke apparatuur nodig is om de grote hoeveelheid druk uit te oefenen die nodig is om te comprimeren tot een positie die de nieuwe vorm behoudt die het gas vasthoudt. Hierdoor zijn ze niet commercieel levensvatbaar.

Chapman en haar collega's bij Argonne gebruikten röntgenstralen van de Advanced Photon Source om de lagedruktechniek te perfectioneren om de MOF's tot dichte pellets te maken. De vervorming van het moleculaire raamwerk die tijdens het proces optreedt, vermindert de gasopslagcapaciteit niet significant.

"Deze MOF's hebben verreikende toepassingen, " zei Karena Chapman, een wetenschapper aan het Argonne National Laboratory, die werd geïnspireerd om lagedrukbehandelingen voor MOF's te onderzoeken door haar ervaringen met het werken met flexibele MOF's voor waterstofopslag. Voorafgaand aan dit werk, het meeste hogedrukwetenschappelijke onderzoek, zoals de ontwikkeling van MOF's, nam zijn richtsnoer uit aardstudies, waar uitgebreide drukken overgangen in geologische materialen veroorzaken.

Met het pelletproces uitgewerkt, de wetenschappers tikten Nenoff in Sandia aan om precies het juiste type molecuul te vinden voor de structuur van de MOF om het gebruik ervan uit te breiden van waterstof- en kooldioxide-opvang. Nenoff en haar team hadden de ZIF-8 MOF geïdentificeerd als bij uitstek geschikt om radioactieve jodiummoleculen te scheiden en op te vangen uit een stroom verbruikte splijtstof op basis van de poriegrootte en het grote oppervlak.

Dit is een van de eerste pogingen om MOF's op deze manier te gebruiken. Dit biedt kansen voor het opruimen van kernreactorongevallen en voor het opwerken van splijtstof. Landen als Frankrijk, Rusland en India recupereren splijtstoffen uit radioactieve componenten in gebruikte splijtstof om energiecentrales van verse brandstof te voorzien. Dit vermindert de hoeveelheid kernafval die moet worden opgeslagen. Radioactief jodium heeft een halfwaardetijd van 16 miljoen jaar.

Het onderzoeksteam blijft kijken naar verschillende MOF-structuren om de hoeveelheid jodiumopslag te vergroten en beter te voorspellen hoe omgevingscondities zoals vochtigheid de opslagduur zullen beïnvloeden.