Forskare vid Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) Energy Frontier Research Center kvantifierade transient penta-koordinerade Al3+-arter under kristalliseringen av gibbsit från vattenhaltiga aluminiumgeler i lösningar av koncentrerad natriumhydroxid. Forskningen visar att koncentrerade elektrolyter i lösning påverkar vätebindning, joninteraktioner, och koordinationsgeometrier på för närvarande oförutsägbara sätt.

Dessa mekanistiska studier stödjer utvecklingen av nya processflödesscheman för att påskynda behandlingen av radioaktivt avfall vid två avdelningar för energi. Ytterligare, studierna kan ge mindre energikrävande vägar för industriell aluminiumproduktion.

Gibbsit (α-Al(OH)3) är en viktig mineraltillgång för industriell aluminiumproduktion. Det finns också i stora mängder i tankarna för högaktivt radioaktivt avfall vid U.S. Department of Energys platser i delstaten Washington och South Carolina. Traditionell bearbetning för antingen aluminiumproduktion eller behandling av radioaktivt avfall är en energikrävande verksamhet. Bearbetning innebär uppvärmning för att underlätta upplösning av gibbsit i starkt alkaliska lösningar av koncentrerade elektrolyter. Uppvärmning följs av kylning för att uppmuntra nederbörd från dessa kemiskt extrema system.

För behandling av radioaktivt avfall, upplösnings- och utfällningsstegen är ofta ganska långsamma. Varför? Till viss del, båda processerna involverar förändringar i koordinationsgeometrin för det trevärda aluminiumet. I den fasta fasen, det är sex koordinater för att ge en oktaedrisk geometri. För att gå in i lösningsfasen, aluminiumjonen måste ändra sin geometri till en fyrkoordinat tetraedrisk form.

Leds av Jian Zhi Hu och Kevin Rosso, teamet genomförde högfältsstudier med magisk vinkelspinning av kärnmagnetisk resonansspektroskopi som undersökte joninteraktioner, solut organisation, och lösningsmedelsegenskaper under gibbsitutfällning. Teamet fångade systemdynamik i realtid som en funktion av experimentella förhållanden, avslöjar tidigare okända mekanistiska detaljer.

Teamets arbete visar att förändringen i koordination inte är en enkel övergång mellan tetraedriska till oktaedriska arter. Förändringen innebär ett mellanliggande pentakoordinerat aluminiummetallcenter. Ytterligare, dessa arter påverkas av subtila förändringar i organisationen av lösta ämnen och lösningsmedel. Dessa förändringar leder till gelnätverk som ibland kan underlätta bildning eller upplösning av den fasta fasen. Att förstå hur aluminiumkoordinationen förändras i extrema miljöer kan leda till effektivitetsvinster i aluminiumproduktionen och påskynda behandlingen av radioaktivt avfall.