利用分子晶体处理核废料

随着当今社会对化石燃料环境影响和地缘政治的担忧日益加剧,核能重新受到大众的关注。核能可以大规模地产生电力而不排放温室气体,具备可持续清洁能源的潜质,有望帮助人类社会从化石时代过渡到零排放的未来。然而,核能发电也会产生放射性废物,后者的有效管理仍是一项亟待解决的难题,否则核电无法获得公众的信任。

近日,休斯顿大学研究团队创新性地提出了基于环四苯肼酮分子晶体的放射性废物管理解决方案。该团队2015年的研究表明环四苯肼酮晶体能在水溶液、有机溶液和两者间的界面上捕获碘,而碘是最常见的放射性裂变产物之一。相关研究发表在了《Cell Reports Physical Science》上,论文通讯作者、化学教授Ognjen Miljanic表示“界面捕获的能力特别重要,因为这可以防止碘附着在反应堆和废物容器的专用涂层上造成损害”。此类晶体表现出了惊人的碘吸收能力,可以与多孔金属有机结构(porous metal-organic frameworks,MOFs)和共价有机结构(covalent organic frameworks,COFs)相媲美,后两者之前被认为是捕获碘的最佳材料。

论文第一作者、前博士生Alexandra Robles在Miljanic教授实验室中发现了这一现象,并在此基础上完成了她的博士论文。Robles在核废料处理方面的兴趣引领她对晶体捕获碘进行研究,Miljanic教授说:“Robles最终在有机层和水层之间获得了碘,这是一个鲜有人涉猎的领域”。教授还补充道,该晶体优异的特性决定了它的另一功能,“当材料沉积在有机相和水相之间时,它实际上可以阻止碘在液体层之间的扩散” 。此过程不仅可以保证反应堆涂层的完整性、增强放射性包容能力,而且还可以实现碘的输运,“在难以进行放废管理的位置捕获碘,然后在更方便的位置释放”。这种捕获-释放技术还有一个优点是重复利用。他说:“如果污染物只附着不脱落,那么整个晶体用完后都将废弃,这将增加废物产量并造成经济损失” 。当然,上述所有设想仍需要在实际应用中测试,由此Miljanic教授开始布局下一步工作。

Miljanic团队使用商业化学试剂制备出了这些只含有碳、氢和氧的小分子有机物。每个晶体都是环形结构,其上伸出八个单链片段,研究团队形象地称之为“章鱼”。Miljanic表示,“它们很容易制备,在没有任何特殊保护气氛下就可以使用相对廉价的材料进行大规模生产”。目前在实验室中制备的成本每克约1美元,而工业环境下这个数字将大大降低。

除了捕获碘,这种小分子晶体的其他用途也十分广泛。Miljani团队已经用它们来捕获二氧化碳,这无异于迈向更加清洁、更加可持续的世界的又一重要步骤。此外,“章鱼”分子与锂离子电池材料中的分子也密切相关,由此打开了通向其他能源的大门。Miljanic解释,“‘章鱼’是一种简单的分子,其功能取决于我们如何使用它”, “目前团队正在努力探索其他可能性” 。他对此感到兴奋无比,并筹划着下一个目标是找到商业合作伙伴,实现应用方面的尝试。不过在那之前,研究团队打算进一步阐明晶体结构的动力学行为,使其更加强大。

(来源:世界核新闻网)