Op weg naar het opschalen van nanokooien om edelgassen op te vangen

weergave van silica nanokooien op een dunne film van ruthenium die atomen van xenon (blauw) insluit. Credit: Klein (2021). DOI: 10.1002/smll.202103661

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers aangetoond hoe kooiachtige, poreuze structuren gemaakt van silicium en zuurstof en die slechts miljardsten van een meter groot zijn, edelgassen zoals argon, krypton en xenon kunnen vasthouden. Om deze nano-kooien van silica praktisch bruikbaar te maken, bijvoorbeeld om de efficiëntie van de productie van kernenergie te verbeteren, moeten ze worden opgeschaald ten opzichte van hun laboratoriumversies. De wetenschappers hebben nu een stap voorwaarts gezet om deze technologie uit het lab en in de echte wereld te brengen. Zoals ze onlangs meldden in Klein, in de handel verkrijgbare materialen kunnen een potentieel schaalbaar platform bieden voor het opvangen van edelgassen.

“Het maken van een vierkante centimeter van onze nanokooien op laboratoriumschaal, die alleen nanogram gas kunnen opvangen, kost ons een paar weken en vereist dure startcomponenten en apparatuur”, zegt co-corresponderende auteur Anibal Boscoboinik, een materiaalwetenschapper in de Interface Science en Catalysis Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in Brookhaven National Laboratory. “Er zijn commerciële processen om tonnen van deze silica-nanokooien te synthetiseren, die zo goedkoop zijn dat ze worden gebruikt als additieven in beton. Deze commerciële materialen vangen echter geen edelgassen op, dus een uitdaging voor het opschalen van onze technologie was om te begrijpen wat speciaal is over onze nanokooien.”

Een onverwachte ontdekking

Boscoboinik leidt sinds 2014 het onderzoek naar nanokooien bij de CFN, na een daad van serendipiteit. Hij en zijn collega’s waren net klaar met een katalyse-experiment met nano-kooien van silica die bovenop een eenkristal van rutheniummetaal waren afgezet, toen ze merkten dat individuele atomen van argongas vast kwamen te zitten in de poriën van nanoformaat. Met deze toevallige bevinding werden ze de eerste groep die een edelgas bij kamertemperatuur opsloten in een tweedimensionale (2D) poreuze structuur. In 2019 sloten ze twee andere edelgassen op in de kooien: krypton en xenon. In deze tweede studie leerden ze dat om het vangen te laten werken, er twee processen moesten plaatsvinden: gasatomen moesten worden omgezet in ionen (elektrisch geladen atomen) voordat ze de kooien binnengingen, en de kooien moesten in contact staan ​​met een metalen steun om de ionen eenmaal in de kooien te neutraliseren – ze effectief op hun plaats te houden.

Met dit inzicht hebben Boscoboinik en zijn team in 2020 een octrooiaanvraag ingediend, die nu in behandeling is. Datzelfde jaar selecteerde het DOE Office of Technology Transitions via zijn Technology Commercialization Fund (TCF) een onderzoeksvoorstel dat was ingediend door de CFN in samenwerking met de Brookhaven Nuclear Science and Technology Department en Forge Nano om de in het laboratorium ontwikkelde nanokooien op te schalen. Het doel van deze opschaling is om het oppervlak voor het vangen van krypton en xenon, beide producten van de kernsplijting van uranium, te maximaliseren. Het opvangen ervan is wenselijk om de efficiëntie van kernreactoren te verbeteren, bedrijfsstoringen als gevolg van toenemende gasdruk te voorkomen, radioactief kernafval te verminderen en kernwapentests op te sporen.

Een start om op te schalen

Parallel aan de TCF-inspanning begon het CFN-team onafhankelijk te onderzoeken hoe ze de nanokooien konden schalen voor praktische toepassingen, nucleair en daarbuiten. Tijdens hun verkenningen vond het CFN-team het bedrijf dat grote volumes van de silica-nanokooien maakt, in de vorm van een poeder. In plaats van de nanokooien op eenkristallen van ruthenium te deponeren, heeft het team ze afgezet op dunne films van ruthenium, die minder duur zijn. In tegenstelling tot de in het laboratorium gebaseerde nanokooien, hebben deze nanokooien organische (koolstofhoudende) componenten. Dus nadat ze de kooien op de dunne films hadden afgezet, verwarmden ze het materiaal in een oxiderende omgeving om deze componenten te verbranden. De kooien zouden echter geen gassen vasthouden.

“We ontdekten dat het metaal in de metallische staat moet zijn”, zegt eerste auteur Yixin Xu, een afgestudeerde student aan de afdeling Materials Science and Chemical Engineering aan de Stony Brook University. “Terwijl we de organische componenten verbranden, oxideren we ruthenium gedeeltelijk. We moeten het materiaal opnieuw opwarmen in waterstof of een andere reducerende omgeving om het metaal terug in zijn metallische staat te krijgen. Dan kan het metaal fungeren als een elektronenbron om het gas te neutraliseren in de kooien.”

Vervolgens testten de CFN-wetenschappers en hun medewerkers van Stony Brook University of het nieuwe materiaal de gassen nog steeds zou vasthouden. Om dit te doen, voerden ze omgevingsdruk röntgenfoto-elektronspectroscopie (AP-XPS) uit bij de In situ en Operando Soft X-ray Spectroscopie (IOS) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een ander DOE-kantoor of Science User Facility bij Brookhaven Lab. In AP-XPS exciteren röntgenstralen een monster, waardoor elektronen vanaf het oppervlak worden uitgezonden. Een detector registreert het aantal en de kinetische energie van uitgezonden elektronen. Door deze informatie in kaart te brengen, kunnen wetenschappers de chemische samenstelling en chemische bindingstoestanden van het monster afleiden. In dit onderzoek waren de röntgenstralen niet alleen belangrijk voor de metingen, maar ook voor het ioniseren van het gas – hier xenon. Ze begonnen het experiment bij kamertemperatuur en verhoogden geleidelijk de temperatuur, waarbij ze het optimale bereik voor het vangen vonden (350 tot 530 graden Fahrenheit). Buiten dit bereik begint het rendement af te nemen. Bij 890 graden Fahrenheit wordt het ingesloten xenon volledig vrijgegeven. Boscoboinik vergelijkt dit complexe temperatuurafhankelijke proces met het openen en sluiten van een liftdeur.

“Stel je voor dat de deur extreem snel opent en sluit”, zei Boscoboinik. “Je zou extreem snel moeten rennen om binnen te komen. Net als een lift hebben de nanokooien een porie” mond “die opent en sluit. De snelheid waarmee de kooien openen en sluiten moet goed overeenkomen met de snelheid waarmee verwarmde gasionen bewegen om de kans te maximaliseren dat ionen in de kooien komen en worden geneutraliseerd.”

Na deze experimenten valideerden wetenschappers van de Universidad Nacional de San Luis in Argentinië en de Universiteit van Pennsylvania deze liftdeurhypothese. Door Monte Carlo-methoden toe te passen – wiskundige technieken voor het schatten van mogelijke uitkomsten van onzekere gebeurtenissen – modelleerden ze de meest waarschijnlijke snelheid van de ionen bij verschillende gastemperaturen. Een andere medewerker van het Catalysis Center for Energy Innovation berekende de energie die nodig is voor xenon om de kooien te verlaten.

“Deze studies gaven ons informatie over de mechanistische aspecten van het proces, vooral over thermische effecten”, verklaarde de co-corresponderende auteur en CFN-postdoctoraal onderzoeker Matheus Dorneles de Mello.

Opeenvolgende stappen voor schalen

Nu gaan de wetenschappers de materialen maken met een hoog oppervlak (een paar honderd vierkante meter) en kijken of ze naar wens blijven functioneren. Ook gaan ze meer praktische manieren onderzoeken om het gas te ioniseren.

Het team overweegt verschillende mogelijke toepassingen voor hun technologie. De nanokooien kunnen bijvoorbeeld op een meer energie-efficiënte manier edelgassen als xenon en krypton uit de lucht opvangen. Momenteel worden deze gassen via een energie-intensief proces van de lucht gescheiden, waarbij de lucht tot extreem lage temperaturen moet worden gekoeld.

Xenon en krypton worden gebruikt om veel producten te vervaardigen, zoals verlichting. Een van de belangrijkste toepassingen van xenon is in hogedrukgasontladingslampen, waaronder enkele helderwitte autokoplampen. Evenzo wordt krypton gebruikt voor startbaanverlichting op luchthavens en fotografische flitsers voor fotografie op hoge snelheid.

Op basis van eerdere theoretische berekeningen is het team van mening dat hun proces ook in staat moet zijn om radioactieve edelgassen, waaronder radon, op te vangen. Radon wordt vaak aangetroffen in kelders en lagere niveaus van gebouwen en kan longcellen beschadigen, wat mogelijk kan leiden tot kanker. Deze mogelijkheid om radioactieve edelgassen op te vangen zou relevant zijn voor verschillende toepassingen, zoals het verminderen van vrijgekomen radioactieve gassen, het bewaken van nucleaire non-proliferatie en het produceren van medisch relevante isotopen. Het CFN-team onderzoekt de medische toepassing in samenwerking met het Medical Isotope Research and Production Program in Brookhaven.

“In de oppervlaktewetenschap leiden fundamentele studies niet vaak meteen tot bruikbare producten”, zegt Boscoboinik. “We proberen snel iets belangrijks met deze materialen te doen door het niveau van complexiteit stap voor stap te verhogen.”