При работе атомных электростанций образуется большое количество радиоактивных отходов. Одним из таких отходов является радиоактивный йод – ¹²⁹I, период полураспада которого составляет около 16 миллионов лет. Так как йод играет важную роль в обмене веществ человека, попадание ¹²⁹I в окружающую среду весьма опасно. Исследователи из Национальной Лаборатории Аргонны разработали новый метод долговременного хранения радиоактивного ¹²⁹I.

Десятилетиями для фиксации газообразного йода использовались частицы серебра, нанесенные на поверхность матрицы из минералов. Йод и серебро взаимодействуют с образованием нанокристаллов йодида серебра (AgI). Исследователи из Аргонны решили получить больше информации о микроструктуре йодида серебра, образующегося при фиксации йода.

Рис. 1. К мордениту, обозначенному синими сферами прививают крошечные частицы, генерирующие ионы серебра. Существующий подход к фиксации радиоактивного йода заключается в восстановлении Ag+ водородом до простого серебра, внедренного в морденит. При контакте с газообразным йодом (красные сферы) модифицированный серебром морденит образует на поверхности гамма-форму йодида серебра (γ-AgI), а в порах – альфа форму йодида серебра (α-AgI). (Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 132, 8897 (2010). DOI:10.1021/ja103110y).

Для проведения исследования были получены образцы коммерчески доступных аналогов минерала морденита, представителя цеолитов – пористых минералов, широко применяющихся в качестве гетерогенных катализаторов, молекулярных фильтров, а также в хранении радиоактивных отходов.

Хотя модифицированный серебром морденит достаточно давно применяется для фиксации радиоактивного йода, по словам возглавлявшей исследования Карены Чепман (Karena Chapman), механизм этой фиксации так и не был изучен на молекулярном уровне. Чтобы определить, как происходит связывание йода Чепман с коллегами использовала метод анализа функций парного распределения [pair distribution function (PDF)]. Экспериментально метод PDF напоминает метод дифракции рентгеновских лучей на порошке, однако, в отличие от порошкового рентгена, метод PDF позволяет определять межатомное расстояние в кристаллических материалов, независимо от степени кристалличности и гомогенности образца.

Методом PDF было исследовано четыре образца морденита, модифицированного серебром. Два первых представляли собой комбинацию серебра и морденита, в первом образце содержались катионы серебра, в другом моны серебра были восстановлены водородом до Ag0. Третий и четвертый образец были аналогичны первому и второму с тем исключением, что подвергались обработке газообразный йодом, в результате чего на мордените образовывались нанокристаллы AgI. Сравнение данных, полученных методом PDF для содержащих и не содержащих йод композитов морденит-серебро, позволило получить информацию о частицах йодида серебра.

Были обнаружены два вида наночастиц йодида серебра, обладавших различными размерами, для каждого типа наночастиц была характерна своя, определенная кристаллическая фаза. Меньшие по размеру наночастицы йодида серебра, располагающиеся в порах морденита, состоят из альфа-кристаллической фазы йодида серебра (α-AgI), большие по размеру наночастицы, образующиеся на поверхности морденита представлены гамма-кристаллической фазой йодида серебра (γ-AgI).

По материалам: