扩大纳米笼以捕获惰性气体

在过去的几年里，科学家们已经证明了由硅和氧制成的笼状多孔结构，其尺寸仅为十亿分之一米，可以捕获氩、氪和氙等惰性气体。然而，要使这些二氧化硅纳米笼在实际中有用——例如，提高核能生产的效率——它们需要从实验室版本放大。科学家们现在在将这项技术带出实验室并进入现实世界方面向前迈进了一步。正如他们最近在Small 杂志上报道的那样，市售材料可能为捕获惰性气体提供一个潜在的可扩展平台。

“制造一平方厘米的实验室规模的纳米笼，它只能捕获纳克的气体，需要我们几周时间，并且需要昂贵的起始组件和设备，”共同通讯作者 Anibal Boscoboinik 说，他是界面科学和材料科学家。功能纳米材料中心 (CFN) 的催化小组，能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室。“有大量合成这些二氧化硅纳米笼的商业工艺，它们非常便宜，可以用作混凝土中的添加剂。但是，这些商业材料不会捕获惰性气体，因此扩展我们的技术的一个挑战是了解什么是特殊的关于我们的纳米笼。”

一个意外的发现

自 2014 年以来，Boscoboinik 一直在 CFN 领导纳米笼研究，这是一个偶然的举动。他和同事们刚刚完成了一项将二氧化硅纳米笼沉积在单晶钌金属上的催化实验，当时他们注意到单个氩气原子被困在结构的纳米孔内。凭借这一意外发现，他们成为第一批在室温下将惰性气体捕获在二维 (2D) 多孔结构中的团队. 2019 年，他们将另外两种惰性气体困在笼子里：氪和氙。在第二项研究中，他们了解到要使捕获起作用，需要发生两个过程：气体原子在进入笼子之前必须转化为离子(带电原子)，笼子必须与金属支撑接触一旦进入笼子就中和离子 - 有效地将它们捕获到位。

有了这个认识，2020 年，Boscoboinik 和他的团队提交了一项专利申请，目前正在审理中。同年，通过其技术商业化基金 (TCF)，能源部技术转型办公室选择了 CFN 与布鲁克海文核科学技术部和 Forge Nano 合作提交的研究提案，以扩大实验室开发的纳米笼。这种放大的目标是最大化捕获氪和氙的表面积，氪和氙都是铀核裂变的产物。捕获它们对于提高核反应堆的效率、防止因气压升高而导致的运行故障、减少放射性核废料和检测核武器试验是可取的。

开始扩大规模

在 TCF 努力的同时，CFN 团队独立开始探索如何将纳米笼扩展到实际应用、核及其他领域。在他们的探索过程中，CFN 团队找到了以粉末形式生产大量二氧化硅纳米笼的公司。该团队没有将纳米笼沉积在单晶钌上，而是将它们沉积在成本较低的钌薄膜上。与基于实验室的纳米笼不同，这些纳米笼具有有机(含碳)成分。因此，在将笼子沉积在薄膜上之后，他们在氧化环境中加热材料以烧掉这些成分。但是，笼子不会捕获任何气体。

“我们发现金属必须处于金属状态，”第一作者、石溪大学材料科学与化学工程系研究生 Yixin Xu 说。“在燃烧有机成分时，我们会部分氧化钌。我们需要在氢气或其他还原性环境中再次加热材料，使金属恢复到金属状态。然后，金属可以作为电子源来中和气体笼子里面。”

接下来，来自石溪大学的 CFN 科学家和他们的合作者测试了新材料是否仍能捕获气体。为此，他们在能源部的另一个办公室国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 的原位和 Operando 软 X 射线光谱 (IOS) 光束线上进行了环境压力 X 射线光电子能谱 (AP-XPS)布鲁克海文实验室科学用户设施的负责人。在 AP-XPS 中，X 射线激发样品，导致电子从表面发射。探测器记录发射电子的数量和动能。通过绘制这些信息，科学家可以推断出样品的化学成分和化学键合状态。在这项研究中，X 射线不仅对测量很重要，而且在电离气体方面也很重要——这里是氙气。他们在室温下开始实验并逐渐升高温度，找到诱捕的最佳范围(350 到 530 华氏度)。在这个范围之外，效率开始下降。在 890 华氏度时，被困氙气完全释放。Boscoboinik 将这种复杂的温度相关过程比作电梯门的开关。

“想象一下，门打开和关闭的速度非常快，”Boscoboinik 说。“你需要跑得非常快才能进入。就像电梯一样，纳米笼有一个孔“嘴”，可以打开和关闭。笼子打开和关闭的速度需要与打开和关闭的速度很好地匹配加热的气体离子正在移动，以最大限度地增加离子进入笼子并被中和的机会。”

在这些实验之后，来自阿根廷圣路易斯国立大学和宾夕法尼亚大学的科学家验证了这个电梯门假说。应用蒙特卡罗方法——用于估计不确定事件可能结果的数学技术——他们模拟了不同气体温度下离子最可能的速度。能源创新催化中心的另一位合作者计算了氙气离开笼子所需的能量。

“这些研究为我们提供了有关该过程机械方面的信息，尤其是热效应方面的信息，”共同通讯作者和 CFN 博士后研究员 Matheus Dorneles de Mello 解释说。

扩展的后续步骤

现在，科学家们将制造具有高表面积(几百平方米)的材料，并观察它们是否继续按预期发挥作用。他们还将研究更实用的气体电离方法。

该团队正在考虑他们的技术的几个潜在应用。例如，纳米笼可能能够以更节能的方式从空气中捕获氙和氪等惰性气体。目前，这些气体是通过能源密集型工艺从空气中分离出来的，在这种工艺中，空气必须冷却到极低的温度。

氙气和氪气用于制造许多产品，例如照明。氙气的主要用途之一是用于高强度放电灯，包括一些明亮的白色汽车前灯。同样，氪用于机场跑道灯和高速摄影的摄影闪光灯。

鉴于之前的理论计算，该团队认为他们的过程也应该能够捕获包括氡在内的放射性惰性气体。氡通常存在于地下室和较低层的建筑物中，会损害肺细胞，可能导致癌症。这种捕获放射性惰性气体的能力将与多种应用相关，例如减轻释放的放射性气体、监测核不扩散和生产与医学相关的同位素。CFN 团队正在与布鲁克海文的医学同位素研究和生产计划合作探索医疗应用。

“在表面科学中，基础研究通常不会立即产生有用的产品，”Boscoboinik 说。“我们正试图通过一步一步地提高复杂性来快速对这些材料做一些有影响力的事情。”

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