За последние несколько лет ученые продемонстрировали, как пористые структуры, похожие на клетки, сделанные из кремния и кислорода и размером всего лишь миллиардные доли метра, могут улавливать благородные газы, такие как аргон, криптон и ксенон.

Однако, чтобы эти наноклетки из диоксида кремния были практически полезными – например, для повышения эффективности производства ядерной энергии – их необходимо масштабировать по сравнению с их лабораторными версиями. Теперь ученые сделали шаг вперед в переносе этой технологии из лаборатории в реальный мир. Как они недавно сообщили в Small, коммерчески доступные материалы могут обеспечить потенциально масштабируемую платформу для улавливания благородных газов.

«Создание одного квадратного сантиметра наших лабораторных наноклеток, которые могут улавливать только нанограммы газа, занимает у нас пару недель и требует дорогих стартовых компонентов и оборудования», – сказал соавтор-корреспондент Анибал Боскобойник. , специалист по материалам в группе по изучению интерфейсов и катализу в Центре функциональных наноматериалов (CFN), Управления науки Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории. «Существуют коммерческие процессы для синтеза тонны этих наноклеток из диоксида кремния, которые настолько недороги, что используются в качестве добавок в бетон. Однако эти коммерческие материалы не улавливают благородные газы, поэтому проблема масштабирования нашей технологии заключалась в том, чтобы понять в чем особенность наших наноклеток »

Неожиданное открытие

Боскобойник руководит исследованием наноклеток в CFN с 2014 года, следуя интуиции. Он и его коллеги только что закончили каталитический эксперимент с наноклетками из диоксида кремния, нанесенными на монокристалл металлического рутения, когда они заметили, что отдельные атомы газообразного аргона оказались захваченными внутри наноразмерных пор структуры. Благодаря этому случайному открытию они стали первой группой, которая уловила благородный газ внутри двумерной (2-D) пористой структуры при комнатной температуре. В 2019 году они захватили в клетки два других благородных газа: криптон и ксенон. Во втором исследовании они узнали, что для того, чтобы улавливание сработало, должны произойти два процесса: атомы газа должны быть преобразованы в ионы (электрически заряженные атомы) перед попаданием в клетки, а клетки должны находиться в контакте с металлической опорой. чтобы нейтрализовать ионы, оказавшиеся внутри клеток, эффективно удерживая их на месте.

При таком понимании в 2020 году Боскобойник и его команда подали заявку на патент, которая сейчас находится на рассмотрении. В том же году через свой Фонд коммерциализации технологий (TCF) Управление по переходу технологий Министерства энергетики США выбрало исследовательское предложение, представленное CFN в сотрудничестве с Брукхейвенским отделом ядерных наук и технологий и Forge Nano, для увеличения масштабов лабораторных наноклеток. Целью этого расширения является максимальное увеличение площади поверхности для захвата криптона и ксенона, обоих продуктов ядерного деления урана. Их улавливание желательно для повышения эффективности ядерных реакторов, предотвращения сбоев в работе из-за повышения давления газа, уменьшения радиоактивных ядерных отходов и обнаружения испытаний ядерного оружия.

Начало расширения

Параллельно с усилиями TCF, команда CFN независимо начала исследовать, как они могут масштабировать наноклетки для практических приложений, ядерных и других. В ходе своих исследований команда CFN нашла компанию, которая производит большие объемы наноклеток из диоксида кремния в форме порошка. Вместо того, чтобы наносить наноклетки на монокристаллы рутения, команда нанесла их на тонкие пленки рутения, которые дешевле. В отличие от лабораторных наноклеток, эти наноклетки содержат органические (углеродсодержащие) компоненты. Таким образом, после нанесения каркасов на тонкие пленки они нагревали материал в окислительной среде, чтобы сжечь эти компоненты. Однако клетки не будут задерживать газы.

«Мы обнаружили, что металл должен быть в металлическом состоянии», – сказал первый автор Исинь Сюй, аспирант факультета материаловедения и химической инженерии в университете Стони Брук. «При сжигании органических компонентов мы частично окисляем рутений. Нам нужно снова нагреть материал в водороде или другой восстановительной среде, чтобы вернуть металл в его металлическое состояние. Затем металл может действовать как источник электронов для нейтрализовать газ внутри клеток ».

Затем ученые CFN и их сотрудники из Университета Стоуни-Брук проверили, будет ли новый материал по-прежнему улавливать газы. Для этого они выполнили рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию при атмосферном давлении (AP-XPS) на линии пучка In situ и Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) в Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II), другом офисе Министерства энергетики. Центра научных исследований в Брукхейвенской лаборатории. В AP-XPS рентгеновские лучи возбуждают образец, вызывая испускание электронов с поверхности. Детектор регистрирует количество и кинетическую энергию испускаемых электронов. Нанося эту информацию на график, ученые могут сделать вывод о химическом составе образца и состоянии химической связи. В этом исследовании рентгеновские лучи были важны не только для измерений, но и для ионизации газа, в данном случае ксенона. Они начали эксперимент при комнатной температуре и постепенно повысили температуру, найдя оптимальный диапазон для улавливания (от 350 до 530 градусов по Фаренгейту). За пределами этого диапазона эффективность начинает снижаться. При температуре 890 градусов по Фаренгейту захваченный ксенон полностью высвобождается. Боскобойник сравнивает этот сложный, зависящий от температуры процесс открыванию и закрыванию двери лифта.

«Представьте, что дверь открывается и закрывается очень быстро», – сказал Боскобойник. «Чтобы попасть внутрь, вам нужно будет бежать очень быстро. Подобно лифту, у наноклеток есть поры, которые открываются и закрываются. Скорость, с которой клетки открываются и закрываются, должна хорошо соответствовать скорости открытия и закрытия клетки. скорость, с которой движутся ионы нагретого газа, чтобы максимально увеличить вероятность того, что ионы попадут в клетки и будут нейтрализованы ».

После этих экспериментов ученые из Национального университета Сан-Луиса в Аргентине и Университета Пенсильвании подтвердили эту гипотезу о дверях лифта. Применяя методы Монте-Карло – математические методы для оценки возможных исходов неопределенных событий – они смоделировали наиболее вероятную скорость ионов при различных температурах газа. Другой сотрудник Центра катализа для энергетических инноваций рассчитал энергию, необходимую для выхода ксенона из клеток.

«Эти исследования дали нам информацию о механистических аспектах процесса, особенно о тепловых эффектах», – объяснил соавтор-корреспондент и постдокторский исследователь CFN Матеус Дорнелес де Мелло.

Последовательные шаги для масштабирования

Теперь ученые создадут материалы с большой площадью поверхности (пара сотен квадратных метров) и посмотрят, продолжат ли они функционировать так, как нужно. Они также будут исследовать более практичные способы ионизации газа.

Команда рассматривает несколько потенциальных приложений для своей технологии. Например, наноклетки могут улавливать благородные газы, такие как ксенон и криптон, из воздуха более энергоэффективным способом. В настоящее время эти газы отделяются от воздуха с помощью энергоемкого процесса, при котором воздух необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур.

Ксенон и криптон используются для производства многих продуктов, например, освещения. Одно из основных применений ксенона – в газоразрядных лампах высокой интенсивности, в том числе в некоторых ярко-белых автомобильных фарах. Аналогичным образом, криптон используется для огней взлетно-посадочной полосы аэропортов и фотографических вспышек для высокоскоростной фотографии.

Учитывая предыдущие теоретические расчеты, команда считает, что их процесс также должен улавливать радиоактивные благородные газы, включая радон. Радон, который обычно встречается в подвалах и на нижних этажах зданий, может повредить клетки легких, что может привести к раку. Эта способность улавливать радиоактивные благородные газы будет иметь отношение к нескольким приложениям, таким как уменьшение выбросов радиоактивных газов, мониторинг ядерного нераспространения и производство изотопов, имеющих медицинское значение. Команда CFN изучает медицинское применение в сотрудничестве с Программой исследования и производства медицинских изотопов в Брукхейвене.

«В науке о поверхности фундаментальные исследования не всегда сразу приводят к полезным продуктам», – сказал Боскобойник. «Мы пытаемся быстро перейти к созданию чего-то впечатляющего из этих материалов, постепенно повышая уровень сложности»

Это исследование под руководством CFN было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США и Фондом нефтяных исследований Американского химического общества. CFN – это научный центр наноразмерных исследований Министерства энергетики США. Прибор AP-XPS на линии IOS в NSLS-II был построен в результате партнерства между NSLS-II и CFN. Центр катализа для инноваций в области энергетики – это научно-исследовательский центр в области энергетики, расположенный в Университете Делавэра и финансируемый Управлением науки Министерства энергетики США.

Источник: https://www.bnl.gov/[19459007visible