De afgelopen jaren is wetenschappers hebben aangetoond hoe kooiachtig, poreuze structuren gemaakt van silicium en zuurstof en die slechts miljardsten van een meter groot zijn, kunnen edelgassen zoals argon, krypton, en xenon. Echter, om deze silica-nanokooien praktisch bruikbaar te maken, bijvoorbeeld om de efficiëntie van de productie van kernenergie te verbeteren, moeten ze worden opgeschaald ten opzichte van hun laboratoriumversies. De wetenschappers hebben nu een stap voorwaarts gezet om deze technologie uit het lab en in de echte wereld te brengen. Zoals ze onlangs meldden in Klein, in de handel verkrijgbare materialen kunnen een potentieel schaalbaar platform bieden voor het opvangen van edelgassen.

"Het maken van een vierkante centimeter van onze nanokooien op laboratoriumschaal, die slechts nanogram gas kan vasthouden, kost ons een paar weken en vereist dure startcomponenten en apparatuur, " zei co-corresponderende auteur Anibal Boscoboinik, een materiaalwetenschapper in de Interface Science and Catalysis Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in Brookhaven National Laboratory. "Er zijn commerciële processen om tonnen van deze silica nanokooien te synthetiseren, die zo goedkoop zijn dat ze worden gebruikt als additieven in beton. Echter, deze commerciële materialen vangen geen edelgassen op, dus een uitdaging voor het schalen van onze technologie was om te begrijpen wat er speciaal is aan onze nanokooien."

Een onverwachte ontdekking

Boscoboinik leidt sinds 2014 het onderzoek naar nanokooien bij de CFN, na een daad van serendipiteit. Hij en zijn collega's waren net klaar met een katalyse-experiment met nano-kooien van silica die bovenop een eenkristal van rutheniummetaal waren afgezet toen ze merkten dat individuele atomen van argongas vastzaten in de poriën van nanoformaat. Met deze toevallige vondst, zij werden de eerste groep die bij kamertemperatuur een edelgas opsloten in een tweedimensionale (2D) poreuze structuur. in 2019, ze vingen twee andere edelgassen op in de kooien:krypton en xenon. In deze tweede studie ze leerden dat om de vangst te laten werken, er moesten twee processen plaatsvinden:gasatomen moesten worden omgezet in ionen (elektrisch geladen atomen) voordat ze de kooien binnengingen, en de kooien moesten in contact zijn met een metalen steun om de ionen te neutraliseren zodra ze zich in de kooien bevonden, waardoor ze effectief op hun plaats werden gehouden.

Met dit begrip, in 2020, Boscoboinik en zijn team hebben een octrooiaanvraag ingediend, nu in afwachting. Datzelfde jaar, via haar Technology Commercialization Fund (TCF), het DOE Office of Technology Transitions selecteerde een onderzoeksvoorstel ingediend door de CFN in samenwerking met de Brookhaven Nuclear Science and Technology Department en Forge Nano om de in het laboratorium ontwikkelde nanokooien op te schalen. Het doel van deze opschaling is om het oppervlak voor het vangen van krypton en xenon te maximaliseren, beide producten van de kernsplijting van uranium. Het opvangen ervan is wenselijk om de efficiëntie van kernreactoren te verbeteren, bedrijfsstoringen door toenemende gasdruk te voorkomen, radioactief nucleair afval verminderen, en kernwapenproeven op te sporen.

Een start om op te schalen

Parallel aan de TCF-inspanning, het CFN-team begon onafhankelijk te onderzoeken hoe ze de nanokooien konden schalen voor praktische toepassingen, nucleair en daarbuiten. Tijdens hun verkenningen, het CFN-team vond het bedrijf dat grote volumes van de silica nanokooien maakt, in de vorm van een poeder. In plaats van de nanokooien af ​​te zetten op eenkristallen van ruthenium, het team deponeerde ze op dunne films van ruthenium, die minder duur zijn. In tegenstelling tot de op het laboratorium gebaseerde nanokooien, deze nanokooien hebben organische (koolstofhoudende) componenten. Dus, na het deponeren van de kooien op de dunne films, ze verhitten het materiaal in een oxiderende omgeving om deze componenten te verbranden. Echter, de kooien zouden geen gassen vasthouden.

"We ontdekten dat het metaal in de metallische staat moet zijn, " zei eerste auteur Yixin Xu, een afgestudeerde student aan de afdeling Materials Science and Chemical Engineering aan de Stony Brook University. "Terwijl de organische componenten worden verbrand, we oxideren ruthenium gedeeltelijk. We moeten het materiaal opnieuw opwarmen in waterstof of een andere reducerende omgeving om het metaal weer in zijn metallische staat te krijgen. Vervolgens, het metaal kan fungeren als een elektronenbron om het gas in de kooien te neutraliseren."

Volgende, de CFN-wetenschappers en hun medewerkers van de Stony Brook University testten of het nieuwe materiaal de gassen nog zou vasthouden. Om dit te doen, ze voerden omgevingsdruk röntgenfoto-elektronspectroscopie (AP-XPS) uit bij de In situ en Operando Soft X-ray Spectroscopie (IOS) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab. In AP-XPS, Röntgenstralen wekken een monster op, waardoor elektronen van het oppervlak worden geëmitteerd. Een detector registreert het aantal en de kinetische energie van uitgezonden elektronen. Door deze informatie te plotten, wetenschappers kunnen de chemische samenstelling van het monster en de chemische bindingstoestanden afleiden. In dit onderzoek, de röntgenstralen waren niet alleen belangrijk voor de metingen, maar ook voor het ioniseren van het gas - hier, xenon. Ze begonnen het experiment bij kamertemperatuur en verhoogden geleidelijk de temperatuur, het vinden van het optimale bereik voor trapping (350 tot 530 graden Fahrenheit). Buiten dit bereik, de efficiëntie begint af te nemen. Bij 890 graden Fahrenheit, het opgesloten xenon komt volledig vrij. Boscoboinik vergelijkt dit complexe temperatuurafhankelijke proces met het openen en sluiten van een liftdeur.

"Stel je voor dat de deur extreem snel opent en sluit, "zei Boscoboinik. "Je zou extreem snel moeten rennen om binnen te komen. Als een lift, de nanokooien hebben een porie "mond" die opent en sluit. De snelheid waarmee de kooien openen en sluiten moet goed overeenkomen met de snelheid waarmee verwarmde gasionen bewegen om de kans te maximaliseren dat ionen in de kooien komen en worden geneutraliseerd."

Naar aanleiding van deze experimenten, wetenschappers van de Universidad Nacional de San Luis in Argentinië en de Universiteit van Pennsylvania hebben deze liftdeurhypothese gevalideerd. Door Monte Carlo-methoden toe te passen - wiskundige technieken voor het schatten van mogelijke uitkomsten van onzekere gebeurtenissen - modelleerden ze de meest waarschijnlijke snelheid van de ionen bij verschillende gastemperaturen. Een andere medewerker van het Catalysis Center for Energy Innovation berekende de energie die nodig is voor xenon om de kooien te verlaten.

"Deze studies gaven ons informatie over de mechanistische aspecten van het proces, vooral op thermische effecten, " verklaarde co-corresponderende auteur en CFN-postdoctoraal onderzoeker Matheus Dorneles de Mello.

Opeenvolgende stappen voor schalen

Nutsvoorzieningen, de wetenschappers gaan de materialen maken met een hoog oppervlak (een paar honderd vierkante meter) en kijken of ze naar wens blijven functioneren. Ook gaan ze meer praktische manieren onderzoeken om het gas te ioniseren.

Het team overweegt verschillende mogelijke toepassingen voor hun technologie. Bijvoorbeeld, de nanokooien kunnen mogelijk edelgassen als xenon en krypton op een meer energie-efficiënte manier uit de lucht opvangen. Momenteel, deze gassen worden van de lucht gescheiden door een energie-intensief proces waarbij de lucht moet worden gekoeld tot extreem lage temperaturen.

Xenon en krypton worden gebruikt om veel producten te vervaardigen, zoals verlichting. Een van de belangrijkste toepassingen van xenon is in hogedrukgasontladingslampen, inclusief enkele helderwitte autokoplampen. Hetzelfde, krypton wordt gebruikt voor landingsbaanverlichting op luchthavens en fotografische flitsers voor fotografie op hoge snelheid.

Gezien eerdere theoretische berekeningen, het team is van mening dat hun proces ook radioactieve edelgassen moet kunnen opvangen, inclusief radon. Vaak aangetroffen in kelders en lagere niveaus van gebouwen, radon kan longcellen beschadigen, mogelijk tot kanker leiden. Deze mogelijkheid om radioactieve edelgassen op te vangen zou relevant zijn voor verschillende toepassingen, zoals het verminderen van vrijgekomen radioactieve gassen, toezicht op nucleaire non-proliferatie, en het produceren van medisch relevante isotopen. Het CFN-team onderzoekt de medische toepassing in samenwerking met het Medical Isotope Research and Production Program in Brookhaven.

"In de oppervlaktewetenschap, fundamentele studies leiden niet vaak direct tot bruikbare producten, "zei Boscoboinik. "We proberen snel iets met deze materialen te doen dat impact heeft door de complexiteit stap voor stap te verhogen."