Une équipe de recherche russe synthétise un nouveau matériau à structure métallo-organique capable de fixer le césium radioactif

L'Institut Frumkin de chimie physique et d'électrochimie de l'Académie des sciences de Russie a synthétisé un nouveau matériau à structure métallo-organique contenant des atomes de neptunium et de césium. Les recherches montrent que ce matériau est insoluble dans l'eau, résiste aux températures élevées et aux rayonnements intenses, et peut “verrouiller” de manière stable le césium radioactif dans sa propre structure, offrant ainsi une nouvelle approche pour la recherche sur la fixation des radionucléides et les matériaux de traitement des déchets radioactifs.

Les matériaux à structure métallo-organique constituent une classe de matériaux à haute porosité et à structure cristalline contrôlable, dont le réseau cristallin est généralement constitué d'atomes métalliques reliés par des molécules organiques. Étant donné que la taille des pores et la structure peuvent être ajustées au niveau moléculaire, ces matériaux peuvent être utilisés pour adsorber des gaz ou des nucléides spécifiques. Toutefois, par rapport aux adsorbants traditionnels tels que le charbon actif, les matériaux à structure métallo-organique présentent des coûts de synthèse plus élevés et se trouvent actuellement davantage au stade de la recherche de pointe et de l'exploration d'applications spécifiques.

Selon les chercheurs, ce nouveau matériau a été obtenu lors d'expériences de synthèse radiochimique de structures métallo-organiques d'éléments f. L'équipe espérait initialement favoriser la formation de structures stables spécifiques en irradiant les matières premières par faisceau d'électrons accélérés ou par rayonnement ultraviolet. Au cours de l'étude des réactions liées au neptunium, les chercheurs ont découvert une nouvelle substance dont les unités structurelles différaient de celles des matériaux connus, et en ont réalisé une analyse structurale.

Les résultats de l'analyse montrent que ce matériau est une structure bimétallique contenant du neptunium et du césium, dont le réseau cristallin est composé de quatre atomes de neptunium et de deux atomes de césium reliés par des ponts oxygène, avec une taille de pores d'environ 2,69 angströms. Les expériences démontrent que ce matériau est insoluble dans l'eau, ne se dégrade pas lorsqu'il est chauffé à 400 degrés Celsius et peut supporter des doses de rayonnement allant jusqu'à 6 mégagrays.

Les recherches ont également révélé que le césium est étroitement intégré dans cette structure et ne participe pas aux échanges ioniques. En utilisant le césium-137 comme traceur dans les expériences, les chercheurs n'ont observé aucune lixiviation ni libération de césium-137 du matériau dans la solution. Cela signifie que ce matériau présente une valeur applicative potentielle pour la fixation du césium radioactif et pourrait à l'avenir constituer l'un des substrats candidats pour les étapes de vitrification ou de céramisation des déchets radioactifs.

Les chercheurs soulignent également que, en raison du coût élevé des structures métallo-organiques à base de neptunium et de césium, leur rentabilité en tant qu'adsorbants conventionnels reste à évaluer. En comparaison, les matériaux à structure métallo-organique pourraient présenter des perspectives d'application plus prometteuses dans des domaines tels que les supports de catalyse, par exemple en introduisant des éléments à activité catalytique dans les pores pour préparer des catalyseurs hétérogènes.

Cet institut explore également l'utilisation d'accélérateurs d'électrons et de rayonnement ultraviolet pour synthétiser des matériaux à structure métallo-organique. Par rapport aux méthodes traditionnelles de chauffage prolongé en autoclave, la synthèse par accélérateur d'électrons peut être réalisée en quelques minutes et pourrait améliorer le rendement tout en réduisant la consommation d'énergie et les coûts. Les chercheurs indiquent que ces méthodes pourraient contribuer à obtenir davantage de nouvelles structures à base de différents métaux.