Сотрудники Института физической химии и электрохимии имени Фрумкина РАН синтезировали и подробно исследовали первый в мире биметаллический металлорганический каркас (МОК), в кристаллической решетке которого одновременно присутствуют ионы нептуния и цезия. Новый материал продемонстрировал исключительную устойчивость к воздействию воды, высоких температур и интенсивного ионизирующего облучения. Продукт предполагается использовать для иммобилизации коварного цезия-137 в атомной энергетике и в других областях его применения.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-73-10086) и опубликовано в журнале Chemical Communications.
Каркас, который не боится ни воды, ни радиации
Металлорганические каркасы (metal-organic frameworks) считаются одним из самых перспективных классов материалов благодаря их пористой структуре и возможности тонкой настройки свойств. Особый интерес представляют МОК на основе актинидов — элементов, способных существовать в нескольких степенях окисления и формировать сложные координационные структуры. Именно такие материалы рассматриваются как потенциальные сорбенты для улавливания радиоактивных продуктов деления, включая изотопы йода, технеция, цезия, криптона и ксенона с большими и средними сроками полураспада.
Российские исследователи получили новый каркас сольвотермальным методом. Его строительным блоком стал кластер Np4Cs2O8, где атомы нептуния и цезия связаны кислородными мостиками. При этом нептуний находится в степени окисления +V, а размер узких пор материала ограничен диаметром 2,69 ангстрема.
Клетка для цезия
Авторы установили, что ионы цезия, несмотря на высокую химическую активность щелочных металлов, жестко встроены непосредственно в структуру каркаса и являются ее неотъемлемой частью. Благодаря этому они не участвуют в процессах ионного обмена и остаются надежно зафиксированными внутри материала. В ходе испытаний ученые не обнаружили ни выщелачивания, ни выделения цезия-137. Это делает новый МОК перспективным кандидатом для долговременной иммобилизации одного из наиболее проблемных радионуклидов атомной энергетики.
Не менее впечатляющими оказались и показатели устойчивости. Материал не разрушался при длительном контакте с водой, сохранял структуру при нагревании до 400°C и выдерживал поглощенную дозу радиации в 6 мегагрей.
По словам авторов работы, необычная структура каркаса связана с особенностями нептуноильных ионов. В отличие от большинства металлических катионов они способны вступать в так называемые катион-катионные взаимодействия, формируя соединения, невозможные для многих других металлов.
Цезий-137 является одним из главных долгоживущих продуктов деления ядерного топлива. Именно этот радионуклид стал одним из основных загрязнителей территорий после аварий на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1». Его период полураспада составляет около 30 лет. При этом сначала выделяются активные бета-частицы, а затем дочерний короткоживущий барий-137 испускает гамма-лучи. Мышечная ткань животных и человека воспринимает ионы цезия как аналог ионов калия и запасает их впрок, превращая организм в самоубийственный источник ионизирующего излучения.
Металлорганические каркасы сегодня активно изучаются не только для решения задач ядерной безопасности, но и в программах создания высокоэффективных катализаторов, хранения водорода, улавливания углекислого газа.
Источник: hi-tech.mail.ru