Déverrouiller le pouvoir des cristaux moléculaires : Une solution possible aux déchets nucléaires.

19 juillet 2023

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par Rashda Khan, University of Houston

Dans un monde de plus en plus préoccupé par les implications environnementales et géopolitiques de l'utilisation des combustibles fossiles, l'énergie nucléaire a refait surface comme un sujet d'intérêt majeur. Sa capacité à produire de l'électricité à grande échelle sans émissions de gaz à effet de serre offre des promesses en tant que source d'énergie propre et durable qui pourrait permettre la transition de la société vers un avenir neutre en carbone. Cependant, la génération d'énergie nucléaire produit des déchets radioactifs. La gestion sûre de ces déchets reste un défi crucial qui doit être relevé pour gagner la confiance du public dans cette solution énergétique transformative.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université de Houston a trouvé une solution novatrice pour la gestion des déchets nucléaires : des cristaux moléculaires basés sur des cyclotétrabenzylhydrazones. Ces cristaux, découverts par l'équipe en 2015, sont capables de capturer l'iode - l'un des produits de fission radioactifs les plus courants - dans des solutions aqueuses et organiques, ainsi qu'à l'interface entre les deux. 

« Ce dernier point est particulièrement important car la captation de l'iode aux interfaces pourrait empêcher l'iode d'atteindre et d'endommager les revêtements de peinture spécialisés utilisés dans les réacteurs nucléaires et les conteneurs de stockage des déchets », a déclaré Ognjen Miljanic, professeur de chimie et auteur correspondant de l'article détaillant cette percée dans Cell Reports Physical Science. 

Ces cristaux présentent une capacité d'absorption de l'iode étonnante, rivalisant avec celle de structures poreuses à base de frameworks métal-organiques (MOFs) et de frameworks organiques covalents (COFs), qui étaient auparavant considérées comme l'apogée des matériaux de captation de l'iode. 

Alexandra Robles, première autrice de l'étude et ancienne doctorante qui a basé sa thèse sur cette recherche, travaillait avec les cristaux dans le laboratoire de Miljanic lorsqu'elle a fait cette découverte. Son intérêt pour la recherche d'une solution pour les déchets nucléaires a conduit Robles à étudier l'utilisation de cristaux pour capturer l'iode. 

« Elle a fini par capturer l'iode à l'interface entre les couches organique et aqueuse, ce qui est un phénomène peu étudié », a déclaré Miljanic, ajoutant que cette caractéristique exceptionnelle offre un avantage crucial. « Lorsque le matériau est déposé entre la couche organique et aqueuse, il arrête essentiellement le transfert de l'iode d'une couche à l'autre. » 

Ce processus non seulement préserve l'intégrité des revêtements du réacteur et améliore le confinement, mais l'iode capturé peut également être déplacé d'une zone à une autre. « L'idée ici est de le capturer à un endroit difficile à gérer, puis de le relâcher à un endroit facile à gérer », a déclaré Miljanic. 

L'autre avantage de cette technologie de capture et de relâche est que les cristaux peuvent être réutilisés. « Si le polluant se fixe simplement sur le réactif, il faut tout jeter », a-t-il déclaré. « Et cela augmente les déchets et la perte économique. » 

Bien sûr, tous ces grands potentiels doivent encore être testés dans des applications pratiques, ce qui amène Miljanic à envisager les prochaines étapes. L'équipe de Miljanic crée ces petites molécules organiques constituées uniquement d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène à l'aide de produits chimiques disponibles dans le commerce. 

Chaque cristal a une structure en forme de bague avec huit segments linéaires émanant de celui-ci, ce qui a amené l'équipe de recherche à le surnommer « The Octopus ».

« Ils sont assez faciles à fabriquer et peuvent être produits à grande échelle à partir de matériaux relativement peu coûteux sans atmosphère protectrice spéciale », a déclaré Miljanic. Il estime pouvoir actuellement produire ces cristaux au coût d'environ 1 dollar par gramme dans un laboratoire universitaire. 

Dans un environnement industriel, Miljanic estime que le coût serait considérablement réduit. Ces petits cristaux voraces sont très polyvalents et peuvent capturer plus que de l'iode. Miljanic et son équipe les ont utilisés pour capturer le dioxyde de carbone, ce qui constituerait une autre grande avancée vers un monde plus propre et plus durable. De plus, les molécules « The Octopus » sont étroitement liées à celles que l'on trouve dans les matériaux utilisés pour fabriquer les batteries lithium-ion, ce qui ouvre la porte à d'autres opportunités énergétiques. 

« Il s'agit d'un type de molécule simple qui peut faire toutes sortes de choses différentes en fonction de la façon dont nous l'intégrons au reste d'un système donné », a déclaré Miljanic. « C'est pourquoi nous poursuivons également toutes ces applications. »

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.

More information: Alexandra Robles et al, Cyclobenzil hydrazones with high iodine capture capacities in solutions and on interfaces, Cell Reports Physical Science (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101509