Брукхейвен и Forge Nano разработали технологию улавливания благородных газов

Брукхейвен и Forge Nano разработали технологию улавливания благородных газов

Исследовательское предложение, представленное Центром функциональных наноматериалов (CFN) и Департаментом ядерной науки и технологии (NST) при Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), с стартапом Forge Nano в качестве партнера, был выбран в качестве проекта Фонда коммерциализации технологий 2020 года (ФТС). Из 82 технологий, выбранных из более чем 220 приложений, три были разработаны в Brookhaven Lab. Это финансирование TCF является первым, которое будет присуждено CFN, где была разработана технология.

Иллюстрация отдельных атомов трех различных благородных газов – аргона, криптона и ксенона – попавших в ловушку в двумерном массиве наноразмерных «клеток». Эти пористые каркасы имеют форму шестиугольной призмы и изготовлены из кремния и кислорода. Лаборатория Брукхейвена и промышленный партнер Forge Nano будут продвигать эту технологию для применения в ядерной энергетике.

Управление технологических преобразований Министерства энергетики США управляет программой TCF, созданной в соответствии с Законом об энергетической политике 2005 года для продвижения перспективных энергетических технологий, разработанных в национальных лабораториях Министерства энергетики. Федеральное финансирование, выделяемое через ФТС, сопоставляется с нефедеральными взносами частных партнеров, заинтересованных в коммерциализации технологии. Целью ФТС является содействие коммерциализации этих технологий и укрепление партнерских отношений между лабораториями и частным сектором для развертывания их на рынке.

Проект, с которым ученые Брукхейвенской лаборатории и Forge Nano будут сотрудничать, называется «Созревание технологии улавливания ксенона и криптона».

Ксенон (Xe) и криптон (Kr) представляют собой два благородных газа, образующихся в процессе ядерного деления – реакции, в которой ядро ​​атома расщепляется на два или более меньших, более легких ядра – внутри ядерных реакторов. Эти газы могут уменьшить количество энергии, извлекаемой из источника ядерного топлива, путем увеличения давления в топливном стержне (герметичные трубки, которые содержат расщепляющийся материал) и сократить срок службы топливного стержня. Кроме того, радиоактивные изотопы Xe и Kr могут попасть в непрореагировавшее топливо, что требует утилизации. Следовательно, улавливание и удаление Xe и Kr может повысить эффективность выработки энергии в ядерных реакторах и уменьшить количество радиоактивных отходов.

В течение нескольких лет ученые из отдела NST изучали различные материалы-кандидаты, в том числе микропористый углерод и пористые металлорганические структуры, для поглощения этих газов деления, тем самым снижая повышение давления в топливных стержнях. Отдельно ученые из CFN занимаются разработкой двумерных пористых каркасных каркасов, изготовленных из ультратонких пленок из неорганического кремнезема (кремний и кислород) и алюмосиликата (алюминий, кремний и кислород), нанесенных на металлические поверхности, толщиной менее одного нанометра. , В 2017 году они стали первой командой, улавливавшей благородный газ внутри двумерной пористой структуры при комнатной температуре. В прошлом году они обнаружили механизм, с помощью которого эти «наноклетки» захватывают и разделяют отдельные атомы аргона (Ar), Kr и Xe при комнатной температуре. После этих исследований CFN представил раскрытие изобретения о силикатных материалах для улавливания газов (среди других приложений) Юридической группе по интеллектуальной собственности в Брукхейвене, которая вместе с Брукхейвенским отделом трансфера технологий помогла команде изучить перспективные приложения и подключила ученых CFN и NST. .

«Улавливание отдельных атомов благородных газов при некриогенных температурах является чрезвычайно трудным и актуальным вызовом для восстановления ядерных отходов, среди других промышленных применений», сказал ученый-исследователь материалов CFN Interface Science и Catalysis Group Анибал Боскобойник, который руководил работой. «Эта трудность связана, прежде всего, со слабым взаимодействием благородных газов в их нейтральном состоянии. Подход, разработанный в CFN, позволяет захватывать атомы благородного газа в клетках посредством ионизации – превращая их в электрически заряженные атомы или ионы – в течение очень короткого времени, чтобы они могли попасть в клетки. Оказавшись внутри, они возвращаются в свое нейтральное, стабильное состояние, но к тому времени они уже физически заключены в клетки ».

Теперь, через TCF, Брукхейвен будет сотрудничать с Forge Nano, чтобы расширить производство лабораторных наноклеток, чтобы максимизировать площадь поверхности для захвата атомов Kr и Xe. Одним из возможных способов достижения этой оптимизации является размещение нанопористых материалов внутри более крупных (мезопористых) материалов, другими словами, клетки внутри клетки. Forge Nano применяет свой опыт в нанесении атомного слоя – методе нанесения одного атома за раз на поверхностный материал до тех пор, пока не будет сформирован полный слой – для прецизионных нанопокрытий для покрытия внутренней части мезопор наноклетками, где будет происходить захват.

«Это инновационное применение материалов идеально подходит для нас в Forge Nano для нанесения покрытий на атомно-тонкие контролируемые покрытия», сказал партнер проекта Стэйси Моултон, инженер по приложениям для развития бизнеса в Forge Nano. «Мы рады работать с исследователями CFN, чтобы увеличить их прорыв».

Использование ионных пучков и испытательных реакторов в Центре ядерной инженерии и науки и лаборатории ускорителя Техасского университета A & M – одной из партнерских установок, доступных через объекты пользователей ядерной науки, – команда из Брукхейвена проверит радиационную стабильность материалов на уровнях, соответствующих окружающие реакторы ядерного деления.

«Возможности тестирования радиационных повреждений, доступные в Texas A & M, значительно ускорят нашу способность конструировать надежные материалы», – сказала председатель департамента NST Линн Экер.

«Исследования в нашей группе направлены на понимание на фундаментальном уровне физико-химических процессов, которые происходят на функциональных поверхностях и поверхностях раздела, подверженных воздействию химических веществ», сказал руководитель исследовательской группы CFN Interface Science and Catalysis Дарио Стаккьола. «Чтобы исследовать эти процессы в режиме реального времени и в рабочих условиях, мы разрабатываем и используем самые современные инструменты in situ и operando».

Для отслеживания захвата газов они будут выполнять рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), методику идентификации и количественного определения элементов на поверхности образца. Эти исследования будут проводиться с использованием инструментов XPS при атмосферном давлении (AP), расположенных в центре проксимальных зондов CFN, а также на линии In-situ и мягкой рентгеновской спектроскопии Operando (IOS) Брукхейвенского национального источника синхротронного света II (NSLS-II).

В случае успеха эта технология, для которой Юридическая группа по интеллектуальной собственности Брукхейвена недавно подала предварительную заявку на патент, окажет значительное влияние на атомную энергетику и окружающую среду в целом. По состоянию на 2018 год около 450 ядерных реакторов вырабатывали электроэнергию, что эквивалентно 10 процентам мирового энергоснабжения. Ядерная энергетика является вторым по величине источником низкоуглеродного электричества (гидроэнергетика является первой).

«Наноклетки могут быть преобразующими в области атомной энергетики за счет повышения эффективности и надежности ядерных реакторов и сокращения радиоактивных отходов и выбросов», – сказал Боскобойник.

«Технология более эффективного улавливания, отделения и выделения благородных газов находит применение в современных ядерных реакторах», – добавил Эккер . «У наноклеток есть потенциал стать технологией для будущих реакторов. Мы очень рады изучить эту возможность, работая с нашим партнером, Forge Nano ».

Двумя другими проектами, за которые Брукхейвен получил награду TCF 2020 года, являются «Модификация поверхности графитовых анодов, обеспечивающая быструю зарядку литий-ионных батарей» и «Устойчивый цемент для скважин для геотермальных, тепловых и углеродных скважин». Исследователи из Брукхейвена, заинтересованные в том, чтобы узнать больше о ФТС или принять участие в следующем конкурсе, должны связаться с менеджером отдела передачи технологий Пурни Упадхья по телефону (631) 344-4711 или [email protected]

CFN и NSLS-II являются объектами пользовательского управления Министерства образования США. Прибор AP-XPS на линии IOS работает как партнерство между CFN и NSLS-II. Управление по ядерной энергии является офисом программы ФТС, финансирующим этот проект. Другие участвующие офисы программы TCF – это Управление энергоэффективности и возобновляемой энергии, Управление ископаемой энергии, Управление электроэнергии и Управление кибербезопасности, энергетической безопасности и реагирования на чрезвычайные ситуации. Полный список проектов ФТС-2020 можно найти в объявлении о награждении Министерства энергетики США.

Если вы заинтересованы в партнерстве с учеными CFN по будущим предложениям TCF или другим проектам, пожалуйста, свяжитесь с помощником директора CFN по стратегическому партнерству Priscilla Antunez по телефону (631) 344-6186 или [email protected] .

Брукхейвенская национальная лаборатория поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science.

Источник: https://www.forgenano.com/

Source link