新型MOFs或可讓核燃料更廉價 回收更清潔

材料牛注：最近發表在Nature Communications的國際多機構合作的研究制備出了一種新的MOF材料——SBMOF-1，該材料能夠高效回收核燃料后處理過程中產生的Xe和Kr，且能夠長期循環使用。

通常我們認為試驗結果比計算機模擬結果更真實。可是此次，發表在Nature Communications該項研究出色的將實驗與計算機模擬結合，這向世人證明，計算機模擬有時候也能反映一些實驗不能告訴我們的結果。

避免污染

核燃料的回收再利用過程能夠回收到燃料中大部分的鈾元素和钚。因而研究人員希望尋找出能夠安全高效、可靠回收核燃料的技術。

國際多機構合作的一項研究在致力研究出一種能夠革新傳統的昂貴低效的回收方法的新材料。其中一個至關重要的的步驟便是收集在回收過程中產生的放射性氣體Xe和Kr。傳統技術是通過低溫（遠低于氣體的凝固點）冷凍氣流來進行回收。顯然，這種方式極其耗能、且價格不菲。

可是Thallapally等發現MOFs能夠在非低溫條件下回收Xe和Kr。這些材料內部有很多細小的空隙，甚至小到只能容納單個分子。當某種特定的氣體比其他氣體與孔壁具有更高的親和力時，MOFs可以產生選擇性吸附，這可用于分離氣體混合物。

為了找到分離氙和氪的最佳金屬有機框架結構，計算化學家Haranczyk和Smit利用了國家能源研究科學計算中心的計算資源篩選出了125000種可能有捕獲氣體能力的MOF。雖然這些氣體具有放射性，它們仍舊是惰性氣體。

“由于材料的種類繁多，結構千變萬化，對于特定的過程來選擇最優的材料往往是很難的。每個材料的表征都需要長達數小時的計算模擬，因此整個篩選過程可能一臺超級計算機也需要耗費數周的時間。“盡管如此，根據材料容易計算的特點，我們也開發了一個途徑來評估材料的性能。在這種情況下，七種不同的特性對于預測材料的行為是不可少的數據。我們團隊研究生的機器學習技術能夠快速排除那些不滿足標準的材料。這也加快了這一材料的發現過程。”Haranczyk這么說到。

該團隊的模擬確定了SBMOF-1的孔徑尺寸最接近Xe原子，是對Xe原子選擇性最大的MOF。

在優化SBMOF-1的制備過程后，Thallapally和他的團隊在太平洋西北國家實驗室對該材料進行了測試。他們將含有非放射性氙和氪的混合氣體通過該材料，并在材料的另一端進行測量。測試表明，氧、氦、氮、氪和二氧化碳都比氙的透過效果好。這說明氙被束縛在SBMOF-1的孔洞之中，直至孔洞飽和。

其他測試還表明，Xe不存在的時候，SBMOF-1也能捕獲Kr。在實際分離過程中，操作人員會將氣體兩次透過SBMOF-1，確保完全捕獲Xe和Kr。

該團隊還測試了SBMOF-1在高濕度條件捕獲Xe的能力。對于傳統材料，在潮濕外加低溫的條件下，氣體在通過材料之前必須先進行脫水處理，而且也極其耗時。相比之下，SBMOF-1很有優勢,在高濕度條件下能夠吸附的氙的含量能也可達到干燥條件下的85%以上。

收集Xe和Kr的最后一步是把MOF材料放置在真空中，這能夠使分子籠中的氣體逸出，再進行安全存儲。

最后一步測試是對材料進行穩定性能測試。通過不斷吸附Xe，然后在真空中放出，這樣進行了10個循環后，SBMOF-1能夠吸附Xe的量仍與第一個周期相近。這個結果該MOF材料具有高度穩定性，能夠長期使用。

Thallapally認為穩定性源于SBMOF-1與氙的相互作用，分子籠與氣體的化作用是存粹的物理作用，而不是化學反應。因為吸附過程不經歷化學反應，因此這種材料可以持續使用很長時間。

建模過程

雖然研究人員表明，SBMOF-1是核燃料后處理過程中很好的備選材料。然而，得到這些結果的過程并不是一帆風順的。在實驗室中，研究人員遵循Brook University先前制定出的協議來制備SBMOF-1。該協議要求他們將SBMOF-1加熱到300℃，從而“激活”它。

活化過程清除了MOF合成過程中殘留在孔洞中的物質。然而，實驗測試結果表明，活化的SBMOF-1材料并未表現出基于計算機模擬的結果而應有的性能。

太平洋西北國家實驗室的研究人員重復了這個實驗。然而,這一次,他們在較低的溫度（100℃下）活化SBMOF-1。研究人員發現，和高的活化溫度相比，SBMOF-1表現出了預期的性能。

但是，結果為何如此?研究人員為了找出產生差異的原因，模擬了300℃下SBMOF-1的變化。出乎意料的發現，這些空洞發生了變形。

“當我們把晶體加熱到很高溫度的時候，孔內的原子發生傾斜，這樣就堵塞了部分小孔，因此，氙難以與分子籠結合。

有這些新的計算和實驗結果為基礎，研究人員可以進一步研究SBMOF-1和其他MOFs在核燃料回收中的應用。這些MOFs甚至有望捕獲氡等惰性氣體。

原文參考鏈接：New material has potential to cut costs and make nuclear fuel recycling cleaner

感謝材料人網編輯部王宇提供素材！