Entsperren der Kraft molekularer Kristalle: Eine mögliche Lösung für nuklearen Abfall

19. Juli 2023

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Von Rashda Khan, University of Houston

In einer Welt, die sich zunehmend mit den Umwelt- und geopolitischen Auswirkungen der Nutzung fossiler Brennstoffe auseinandersetzt, ist die Kernenergie wieder zu einem interessanten Thema geworden. Ihre Fähigkeit, elektrischen Strom in großem Maßstab ohne Treibhausgasemissionen zu erzeugen, bietet vielversprechende Möglichkeiten als nachhaltige saubere Energiequelle, die den Übergang der Gesellschaft von fossilen Brennstoffen zu einer kohlenstoffneutralen Zukunft ermöglichen könnte. Allerdings produziert die Kernenergieerzeugung radioaktiven Abfall. Die sichere Entsorgung von nuklearem Abfall bleibt eine wesentliche Herausforderung, die angegangen werden muss, um das Vertrauen der Öffentlichkeit in diese transformative Energielösung zu gewinnen.

Ein Team von Forschern der University of Houston hat nun eine innovative Lösung für die Entsorgung von nuklearem Abfall gefunden: Molekülkristalle auf der Basis von Cyclotetrabenzyl-Hydrazonen. Diese Kristalle, die auf einer Entdeckung des Teams aus dem Jahr 2015 basieren, sind in der Lage, Jod - eines der häufigsten radioaktiven Spaltprodukte - in wässrigen und organischen Lösungen sowie an der Grenzfläche zwischen den beiden zu binden.

'Dieser letzte Punkt ist besonders bedeutsam, da das Einfangen von Jod an Grenzflächen verhindern könnte, dass das Jod die speziellen Lackbeschichtungen erreicht und beschädigt, die in Kernreaktoren und bei der Lagerung von Abfall verwendet werden', sagte Ognjen Miljanic, Professor für Chemie und Korrespondenzautor des in Cell Reports Physical Science veröffentlichten Artikels, der den Durchbruch beschreibt.

Diese Kristalle zeigen eine erstaunliche Aufnahmekapazität für Jod und stehen somit in Konkurrenz zu porösen metallorganischen Gerüsten (MOFs) und kovalenten organischen Gerüsten (COFs), die zuvor als Spitzenmaterialien für die Jodaufnahme galten.

Alexandra Robles, Erstautorin der Studie und ehemalige Doktorandin, deren Dissertation auf diesen Forschungen basiert, arbeitete im Labor von Miljanic mit den Kristallen, als sie die Entdeckung machte. Ihr Interesse an der Lösung für nuklearen Abfall führte Robles dazu, die Verwendung von Kristallen zur Bindung von Jod zu untersuchen.

'Sie hat es tatsächlich geschafft, Jod an der Grenzfläche zwischen den organischen und wässrigen Schichten einzufangen, was ein wenig erforschtens Phänomen ist', sagte Miljanic und fügte hinzu, dass diese außergewöhnliche Eigenschaft einen entscheidenden Vorteil bietet. 'Wenn das Material zwischen der organischen und wässrigen Schicht abgelagert wird, stoppt es im Wesentlichen den Transfer von Jod von einer Schicht zur anderen.'

Dieser Prozess erhält nicht nur die Integrität der Reaktorbeschichtungen und verbessert die Lagerung, sondern das gefangene Jod könnte auch von einem Bereich in einen anderen verschoben werden. 'Die Idee hierbei ist, dass man es an einem Ort einfängt, an dem es schwer zu-handhaben ist, und dann an einem Ort freisetzt, an dem es leicht zu-handhaben ist', sagte Miljanic.

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist, dass die Kristalle wiederverwendet werden können. 'Wenn der Schadstoff einfach an dem Reagenz kleben bleibt, muss das gesamte Material weggeworfen werden', sagte er. 'Das führt zu mehr Abfall und wirtschaftlichen Verlusten.'

Natürlich müssen all diese vielversprechenden Möglichkeiten noch in praktischen Anwendungen getestet werden, was Miljanic dazu veranlasst, über die nächsten Schritte nachzudenken.

Das Team von Miljanic stellt diese winzigen organischen Moleküle her, die nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, mithilfe von im Handel erhältlichen Chemikalien her.

Jeder Kristall ist eine ringförmige Struktur mit acht daran anschließenden linearen Teilen, was dem Forschungsteam den Spitznamen 'Der Oktopus' eingebracht hat.

'Sie sind sehr einfach herzustellen und können in großem Maßstab aus relativ preiswerten Materialien ohne besondere Schutzatmosphäre produziert werden', sagte Miljanic.

Er schätzt, dass er derzeit diese Kristalle im akademischen Labor für etwa 1 Dollar pro Gramm herstellen kann. In einer industriellen Umgebung glaubt Miljanic, dass sich die Kosten erheblich reduzieren würden.

Diese hungrigen kleinen Kristalle sind sehr vielseitig und können mehr als nur Jod aufnehmen. Miljanic und sein Team haben einige davon verwendet, um Kohlendioxid einzufangen, was ein weiterer großer Schritt hin zu einer saubereren und nachhaltigeren Welt wäre. Darüber hinaus sind die Moleküle des 'Oktopus' eng verwandt mit denen, die in Materialien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, was weitere Energiechancen eröffnet.

'Das ist eine Art einfaches Molekül, das je nach Integration in den Rest eines gegebenen Systems in der Lage ist, eine Vielzahl von verschiedenen Aufgaben zu erledigen', sagte Miljanic. 'Deshalb verfolgen wir all diese Anwendungen ebenfalls weiter.'

He is excited by the multitude of potential offered by the crystals and looking forward to exploring practical applications. His next goal is to find a partner who will help the scientists explore different commercial aspects.

Until then, the researchers are planning to further explore the kinetics and behaviors of the crystal structures to make them even better.

Provided by University of Houston