Denna illustration av ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, visar metallcentrum bundet till organiska molekyler. Varje MOF har ett specifikt ramverk som bestäms av valet av metall och organiskt material.
En ny typ av molekylär fälla i nanoskala gör det möjligt för industrin att lagra stora mängder väte i små bränsleceller eller fånga upp, kompaktera och ta bort flyktig radioaktiv gas från använt kärnbränsle på ett prisvärt, lätt kommersialiserat sätt.
Möjligheten att justera storleken på fällöppningarna för att välja för specifika molekyler eller för att ändra hur molekyler frigörs vid industriellt tillgängliga tryck gör fällan unikt mångsidig. Fällan är konstruerad av kommersiellt tillgängligt material och möjliggjort genom samarbete vid Argonne och Sandias nationella laboratorier.
"Detta introducerar en ny klass av material för sanering av kärnavfall, sa Tina Nenoff, en kemist vid Sandia National Laboratories. "Denna design kan fånga och behålla ungefär fem gånger mer jod än nuvarande materialteknik."
Organiska molekyler kopplade samman med metalljoner i ett molekylärt Tinker Toy-liknande gitter som kallas en metall-organisk ram, eller MOF, bilda fällan. Molekyler av radioaktivt jod eller koldioxid eller till och med väte för användning som bränsle kan komma in genom fönster i stommen.
När trycket appliceras, dessa fönster är förvrängda, hindrar molekylerna från att lämna. Detta skapar en bur och ett sätt att välja vad som ska fångas baserat på molekylens form och storlek.
Kompressionen förvandlar också MOF från en fluffig molekylsvamp som tar upp mycket plats till en kompakt pellet. Förmågan att komprimera stora mängder gas till små volymer är ett avgörande steg för att utveckla vätgas som ett alternativt bränsle för motorer.
Men vad gör denna MOF, kallas ZIF-8, dramatiskt annorlunda än design som skapats under det senaste decenniet är dess förmåga att förvränga fönstren i ramverket och fånga in stora volymer gas vid relativt låga tryck. ZIF-8 tar ungefär dubbelt så mycket tryck som en skrotbilskomprimator, vilket är cirka 10 gånger lägre tryck än vad som behövs för att komprimera andra jämförbara zeolit-MOF.
Detta skapar en miljövänlig process som är inom räckhåll för befintliga industrimaskiner, kan produceras i stor skala och är ekonomiskt bärkraftig.
ZIF-8 är sammansatt av zinkkatjoner och organiska imidazolatbaserade länkar. Ramverkets topologi är analog med sodalit – en välkänd zeolit.
Användningen av andra tillgängliga porösa MOFs är begränsad till små partier eftersom specialiserad vetenskaplig utrustning behövs för att applicera det stora tryck som de kräver för att komprimera till en position som kommer att behålla den nya formen som fångar gasen. Detta gör att de inte är kommersiellt gångbara.
Chapman och hennes kollegor på Argonne använde röntgenstrålar från Advanced Photon Source för att perfekta lågtryckstekniken för att göra MOF till täta pellets. Den förvrängning av det molekylära ramverket som uppstår under processen minskar inte gaslagringskapaciteten nämnvärt.
"Dessa MOF har omfattande tillämpningar, sa Karena Chapman, en forskare vid Argonne National Laboratory, som inspirerades att utforska lågtrycksbehandlingar för MOF av sina erfarenheter av att arbeta med flexibla MOF för lagring av väte. Före detta arbete, mest högtrycksvetenskaplig forskning, såsom utvecklingen av MOF, tog sin utgångspunkt från jordstudier, där omfattande tryck orsakar övergångar i geologiska material.
Med pelletsprocessen klar, forskarna använde Nenoff på Sandia för att hitta en helt rätt typ av molekyl för MOF:s struktur för att utöka användningen från väte- och koldioxidavskiljning. Nenoff och hennes team hade identifierat ZIF-8 MOF som idealiskt lämpad för att separera och fånga radioaktiva jodmolekyler från en ström av använt kärnbränsle baserat på dess porstorlek och stora yta.
Detta markerar ett av de första försöken att använda MOF på detta sätt. Detta ger möjligheter för att sanera kärnreaktorolyckor och för upparbetning av bränsle. Länder som Frankrike, Ryssland och Indien återvinner klyvbart material från radioaktiva komponenter i använt kärnbränsle för att tillhandahålla nytt bränsle till kraftverk. Detta minskar mängden kärnavfall som måste lagras. Radioaktivt jod har en halveringstid på 16 miljoner år.
Forskargruppen fortsätter att titta på olika MOF-strukturer för att öka mängden jodlagring och bättre förutsäga hur miljöförhållanden som fuktighet kommer att påverka lagringstiden.
