In einer Welt, die zunehmend über die ökologischen und geopolitischen Auswirkungen der Nutzung fossiler Brennstoffe besorgt ist, ist die Kernenergie wieder zu einem Thema von großem Interesse geworden. Seine Fähigkeit, Strom in großem Maßstab ohne Treibhausgasemissionen zu erzeugen, verspricht eine nachhaltige, saubere Energiequelle zu sein, die den Übergang der Gesellschaft weg von fossilen Brennstoffen hin zu einer Netto-Null-Zukunft überbrücken könnte. Allerdings entstehen bei der Kernenergieerzeugung radioaktive Abfälle. Die sichere Entsorgung von Atommüll bleibt eine entscheidende Herausforderung, die angegangen werden muss, um das Vertrauen der Öffentlichkeit in diese transformative Energielösung zu gewinnen.
Jetzt hat ein Team von Forschern der University of Houston eine innovative Lösung für die Entsorgung nuklearer Abfälle entwickelt: molekulare Kristalle auf Basis von Cyclotetrabenzilhydrazonen. 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 beiden einzufangen.
„Dieser letzte Punkt ist besonders wichtig, weil die Jodabscheidung an Grenzflächen verhindern könnte, dass das Jod die speziellen Farbbeschichtungen erreicht und beschädigt, die in Kernreaktoren und Abfallbehältern verwendet werden“, sagte Ognjen Miljanic, Professor für Chemie und korrespondierender Autor des Papiers, in dem der Durchbruch beschrieben wird Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
Diese Kristalle weisen eine erstaunliche Jodaufnahmekapazität auf, die mit der von porösen metallorganischen Gerüsten (MOFs) und kovalenten organischen Gerüsten (COFs) konkurriert, die früher als Spitzenmaterialien für die Jodbindung galten.
Alexandra Robles, die Erstautorin der Studie und ehemalige Doktorandin, die ihre Dissertation auf dieser Forschung basierte, arbeitete mit den Kristallen in Miljanics Labor, als sie die Entdeckung machte. Ihr Interesse, eine Lösung für Atommüll zu finden, veranlasste Robles, die Verwendung von Kristallen zum Einfangen von Jod zu untersuchen.
„Am Ende hat sie Jod an der Grenzfläche zwischen der organischen Schicht und der Wasserschicht eingefangen, was ein wenig erforschtes Phänomen ist“, sagte Miljanic und fügte hinzu, dass diese außergewöhnliche Eigenschaft einen entscheidenden Vorteil darstelle. „Wenn sich das Material zwischen der organischen und der wässrigen Schicht ablagert, stoppt es im Wesentlichen die Übertragung von Jod von einer Schicht zur anderen.“
Dieser Prozess bewahrt nicht nur die Integrität der Reaktorbeschichtungen und verbessert die Eindämmung, sondern das eingefangene Jod könnte dann auch von einem Bereich in einen anderen transportiert werden. „Die Idee hier ist, dass man es an einem Ort einfängt, wo es schwer zu handhaben ist, und es dann an einem Ort freigibt, wo es leicht zu handhaben ist“, sagte Miljanic.
Ein weiterer Vorteil dieser Catch-and-Release-Technologie besteht darin, dass die Kristalle wiederverwendet werden können. „Wenn der Schadstoff einfach am Regent hängenbleibt, muss das Ganze weggeworfen werden“, sagte er. „Und das erhöht die Verschwendung und den wirtschaftlichen Verlust.“
Natürlich müssen all diese großen Potenziale noch in der Praxis getestet werden, weshalb Miljanic über die nächsten Schritte nachdenkt.
Moleküle, Kristalle und Kraken
Miljanics Team erzeugt diese winzigen organischen Moleküle, die nur Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome enthalten, mithilfe kommerziell erhältlicher Chemikalien.
Jeder Kristall ist eine ringförmige Struktur mit acht linearen Teilen, die von ihm ausgehen, weshalb das Forschungsteam ihm den Spitznamen „Der Oktopus“ gab.
„Sie sind recht einfach herzustellen und können in großem Maßstab aus relativ kostengünstigen Materialien ohne besondere Schutzatmosphäre hergestellt werden“, sagte Miljanic.
Er schätzte, dass er diese Kristalle derzeit in einem akademischen Labor zum Preis von etwa 1 US-Dollar pro Gramm herstellen kann. Miljanic geht davon aus, dass die Kosten in einem industriellen Umfeld erheblich sinken würden.
Diese hungrigen kleinen Kristalle sind sehr vielseitig und können mehr als nur Jod einfangen. Miljanic und sein Team haben einige davon genutzt, um Kohlendioxid einzufangen, was ein weiterer großer Schritt in Richtung einer saubereren, nachhaltigeren Welt wäre. Darüber hinaus sind „The Octopus“-Moleküle eng mit denen verwandt, die in Materialien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien vorkommen, was die Tür zu anderen Energiemöglichkeiten öffnet.
„Dies ist eine Art einfaches Molekül, das je nachdem, wie wir es in den Rest eines bestimmten Systems integrieren, alle möglichen Dinge tun kann“, sagte Miljanic. „Also verfolgen wir auch alle diese Bewerbungen.“
Er ist begeistert von den vielfältigen Potenzialen der Kristalle und freut sich auf die Erforschung praktischer Anwendungen. Sein nächstes Ziel ist es, einen Partner zu finden, der den Wissenschaftlern hilft, verschiedene kommerzielle Aspekte zu erforschen.
Bis dahin planen die Forscher, die Kinetik und das Verhalten der Kristallstrukturen weiter zu erforschen, um sie noch besser zu machen.
Mehr Informationen:
Alexandra Robles et al., Cyclobenzilhydrazone mit hoher Jodeinfangkapazität in Lösungen und an Grenzflächen, Zellberichte Physikalische Wissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101509