新型MOFs或可让核燃料更廉价 回收更清洁

材料牛注：最近发表在Nature Communications的国际多机构合作的研究制备出了一种新的MOF材料——SBMOF-1，该材料能够高效回收核燃料后处理过程中产生的Xe和Kr，且能够长期循环使用。

通常我们认为试验结果比计算机模拟结果更真实。可是此次，发表在Nature Communications该项研究出色的将实验与计算机模拟结合，这向世人证明，计算机模拟有时候也能反映一些实验不能告诉我们的结果。

避免污染

核燃料的回收再利用过程能够回收到燃料中大部分的铀元素和钚。因而研究人员希望寻找出能够安全高效、可靠回收核燃料的技术。

国际多机构合作的一项研究在致力研究出一种能够革新传统的昂贵低效的回收方法的新材料。其中一个至关重要的的步骤便是收集在回收过程中产生的放射性气体Xe和Kr。传统技术是通过低温（远低于气体的凝固点）冷冻气流来进行回收。显然，这种方式极其耗能、且价格不菲。

可是Thallapally等发现MOFs能够在非低温条件下回收Xe和Kr。这些材料内部有很多细小的空隙，甚至小到只能容纳单个分子。当某种特定的气体比其他气体与孔壁具有更高的亲和力时，MOFs可以产生选择性吸附，这可用于分离气体混合物。

为了找到分离氙和氪的最佳金属有机框架结构，计算化学家Haranczyk和Smit利用了国家能源研究科学计算中心的计算资源筛选出了125000种可能有捕获气体能力的MOF。虽然这些气体具有放射性，它们仍旧是惰性气体。

“由于材料的种类繁多，结构千变万化，对于特定的过程来选择最优的材料往往是很难的。每个材料的表征都需要长达数小时的计算模拟，因此整个筛选过程可能一台超级计算机也需要耗费数周的时间。“尽管如此，根据材料容易计算的特点，我们也开发了一个途径来评估材料的性能。在这种情况下，七种不同的特性对于预测材料的行为是不可少的数据。我们团队研究生的机器学习技术能够快速排除那些不满足标准的材料。这也加快了这一材料的发现过程。”Haranczyk这么说到。

该团队的模拟确定了SBMOF-1的孔径尺寸最接近Xe原子，是对Xe原子选择性最大的MOF。

在优化SBMOF-1的制备过程后，Thallapally和他的团队在太平洋西北国家实验室对该材料进行了测试。他们将含有非放射性氙和氪的混合气体通过该材料，并在材料的另一端进行测量。测试表明，氧、氦、氮、氪和二氧化碳都比氙的透过效果好。这说明氙被束缚在SBMOF-1的孔洞之中，直至孔洞饱和。

其他测试还表明，Xe不存在的时候，SBMOF-1也能捕获Kr。在实际分离过程中，操作人员会将气体两次透过SBMOF-1，确保完全捕获Xe和Kr。

该团队还测试了SBMOF-1在高湿度条件捕获Xe的能力。对于传统材料，在潮湿外加低温的条件下，气体在通过材料之前必须先进行脱水处理，而且也极其耗时。相比之下，SBMOF-1很有优势,在高湿度条件下能够吸附的氙的含量能也可达到干燥条件下的85%以上。

收集Xe和Kr的最后一步是把MOF材料放置在真空中，这能够使分子笼中的气体逸出，再进行安全存储。

最后一步测试是对材料进行稳定性能测试。通过不断吸附Xe，然后在真空中放出，这样进行了10个循环后，SBMOF-1能够吸附Xe的量仍与第一个周期相近。这个结果该MOF材料具有高度稳定性，能够长期使用。

Thallapally认为稳定性源于SBMOF-1与氙的相互作用，分子笼与气体的化作用是存粹的物理作用，而不是化学反应。因为吸附过程不经历化学反应，因此这种材料可以持续使用很长时间。

建模过程

虽然研究人员表明，SBMOF-1是核燃料后处理过程中很好的备选材料。然而，得到这些结果的过程并不是一帆风顺的。在实验室中，研究人员遵循Brook University先前制定出的协议来制备SBMOF-1。该协议要求他们将SBMOF-1加热到300℃，从而“激活”它。

活化过程清除了MOF合成过程中残留在孔洞中的物质。然而，实验测试结果表明，活化的SBMOF-1材料并未表现出基于计算机模拟的结果而应有的性能。

太平洋西北国家实验室的研究人员重复了这个实验。然而,这一次,他们在较低的温度（100℃下）活化SBMOF-1。研究人员发现，和高的活化温度相比，SBMOF-1表现出了预期的性能。

但是，结果为何如此?研究人员为了找出产生差异的原因，模拟了300℃下SBMOF-1的变化。出乎意料的发现，这些空洞发生了变形。

“当我们把晶体加热到很高温度的时候，孔内的原子发生倾斜，这样就堵塞了部分小孔，因此，氙难以与分子笼结合。

有这些新的计算和实验结果为基础，研究人员可以进一步研究SBMOF-1和其他MOFs在核燃料回收中的应用。这些MOFs甚至有望捕获氡等惰性气体。

原文参考链接：New material has potential to cut costs and make nuclear fuel recycling cleaner

感谢材料人网编辑部王宇提供素材！