Ученые ИФХЭ РАН синтезировали первый биметаллический металлорганический каркас с ионами нептуния и цезия
Специалисты Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН) синтезировали и всесторонне изучили первый биметаллический металлорганический каркас (МОК), в кристаллическую решетку которого входят ионы нептуния и цезия. Полученный МОК продемонстрировал уникальную устойчивость к растворению, нагреванию и радиационному облучению, что, по мнению исследователей, делает его потенциально пригодным для иммобилизации радионуклидов.
Бурное развитие химии и технологии металлорганических каркасов заставляет ученых уделять большое внимание их структурному многообразию — например, составу входящих в них металлических кластеров и вариантам расположения атомов. Особый интерес вызывают каркасы на основе актиноидов, большинство из которых являются металлами с несколькими степенями окисления. Они, как правило, характеризуются большими координационными числами, то есть способны связывать несколько различных лигандов.
По мнению ученых, можно ожидать, что МОК на основе актиноидов продемонстрируют уникальную структуру и особые физико-химические свойства. Некоторые МОК устойчивы к действию ионизирующего излучения, что позволяет рассматривать их как потенциальные сорбенты для улавливания летучих радиоактивных продуктов деления, таких как йод, технеций, цезий, криптон или ксенон.
Ученые ИФХЭ РАН синтезировали сольвотермальным методом первый биметаллический МОК, включающий ионы нептуния и цезия. Строительные блоки этого каркаса состоят из четырех атомов нептуния и двух атомов цезия, соединенных кислородными мостиками.
«Большинство катионов металлов существуют в простых состояниях, например, таких как Fe³⁺. Но для актинидов характерно образование так называемых оксокатионов, когда вместо «голого» иона металла образуется ион, включающий в себя еще и кислород, например, NpO₂⁺. В подобных системах может наблюдаться так называемое катион-катионное взаимодействие. Все знают, что, согласно закону Кулона, заряды одного знака отталкиваются друг от друга. Но в сложном ионе нептуноила электронная плотность распределена неоднородно, и в нем есть области избыточной электронной плотности. Поэтому положительно заряженные ионы нептуноила могут притягиваться друг к другу, из-за чего формируется невозможная для других металлов структура, что и наблюдается в нашем соединении», — рассказал один из авторов работы, аспирант ИФХЭ РАН Егор Парашутин.
Исследователи отмечают, что открытый металлорганический каркас характеризуется рекордной стабильностью: при длительном контакте с водой выщелачивание не наблюдается, он не разрушается при нагревании вплоть до 400 °C и выдерживает поглощенную дозу в 6 МГр.
«Строительный блок этого металлорганического каркаса — биметаллический кластер Np₄Cs₂O₈. Ионы цезия в нем являются неотъемлемой частью каркаса, а не просто сорбированы внутри пор. Поэтому они прочно вмонтированы в структуру и не участвуют в ионном обмене. Во время экспериментов ни выщелачивания, ни эмиссии цезия-137 из материала не наблюдалось, что делает данный каркас потенциально пригодным для иммобилизации данного радионуклида», — объяснил руководитель работы, старший научный сотрудник лаборатории химии технеция ИФХЭ РАН, доктор химических наук Михаил Волков.
Исследование выполнено при поддержке Российского Научного Фонда.