Российские исследователи синтезировали новый металлоорганический каркасный материал, способный фиксировать радиоактивный цезий

В Институте физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН синтезирован новый металлоорганический каркасный материал, содержащий атомы нептуния и цезия. Исследования показали, что данный материал нерастворим в воде, устойчив к высоким температурам и интенсивному излучению, а также способен стабильно “удерживать” радиоактивный цезий в своей структуре, что открывает новые перспективы для фиксации радионуклидов и разработки материалов для обращения с радиоактивными отходами.

Металлоорганические каркасные материалы представляют собой класс материалов с высокой пористостью и регулируемой кристаллической структурой, решётка которых обычно образована соединением атомов металлов и органических молекул. Благодаря возможности регулировки размера пор и структуры на молекулярном уровне, такие материалы могут использоваться для адсорбции газов или отдельных нуклидов. Однако по сравнению с традиционными адсорбентами, такими как активированный уголь, стоимость синтеза металлоорганических каркасных материалов выше, и в настоящее время они находятся преимущественно на стадии передовых исследований и изучения конкретных областей применения.

По словам исследователей, новый материал был получен в ходе экспериментов по радиохимическому синтезу металлоорганических каркасов с участием f-элементов. Изначально коллектив планировал использовать ускоренные электронные пучки или ультрафиолетовое облучение исходных реагентов для стимулирования формирования определённых стабильных каркасных структур. В ходе изучения реакций с участием нептуния исследователи обнаружили новое вещество, структурные единицы которого отличались от известных ранее материалов, и провели его структурный анализ.

Результаты анализа показали, что данный материал представляет собой биметаллический каркас, содержащий нептуний и цезий: кристаллическая решётка состоит из четырёх атомов нептуния и двух атомов цезия, соединённых кислородными мостиками, с размером пор около 2,69 ангстрема. Эксперименты показали, что материал не растворяется в воде, не разлагается при нагревании до 400 градусов Цельсия и выдерживает облучение дозой до 6 мегагрей.

Исследования также показали, что цезий прочно интегрирован в каркасную структуру и не участвует в ионном обмене. В экспериментах с использованием цезия-137 в качестве трассера не наблюдалось выщелачивания или высвобождения цезия-137 из материала в раствор. Это означает, что данный материал обладает потенциальной ценностью для фиксации радиоактивного цезия и в будущем может рассматриваться в качестве одного из кандидатов-матриц на стадии остекловывания или керамизации радиоактивных отходов.

Исследователи также отмечают, что в связи с высокой стоимостью металлоорганических каркасов на основе нептуния и цезия их экономическая эффективность в качестве обычных адсорбентов требует дополнительной оценки. В то же время металлоорганические каркасные материалы могут обладать большим потенциалом применения в таких областях, как носители катализаторов, например, для получения гетерогенных катализаторов путём введения в поры элементов с каталитической активностью.

Институт также изучает возможность синтеза металлоорганических каркасных материалов с использованием электронных ускорителей и ультрафиолетового излучения. По сравнению с традиционным методом длительного нагрева в автоклаве, синтез с помощью электронного ускорителя может быть завершён в течение нескольких минут и, как ожидается, позволит повысить выход продукта, снизить энергопотребление и затраты. Исследователи отмечают, что такие методы могут помочь получить новые каркасные структуры на основе различных металлов.