Спектроскопия рентгеновского поглощения на источниках синхротронного излучения для направленного химического синтеза функциональных материалов востребованных в атомной промышленности

Работа выполнена в рамках проекта № FZNS-2024-0013 по теме: «Спектроскопия рентгеновского поглощения на источниках синхротронного излучения для направленного химического синтеза функциональных материалов востребованных в атомной промышленности», Государственное задание Российской Федерации, Дополнительное соглашение к Соглашению о предоставлении субсидии из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственного задания на оказание государственных услуг (выполнение работ) от 11.04.2024 № 075-03-2024-098/4. Объектом исследования являются новые высокотехнологичные материалы, обладающие востребованными функциональными характеристиками и предназначенные для использования в области очистки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), долговременной иммобилизации радионуклидов и детектирования ионизирующих излучений, а также в других критических областях атомной промышленности. Цель работы заключается в исследовании механизмов адсорбции радионуклидов на неорганических сорбционных материалах, химического состояния высокоэнергетических гамма-излучателей, иммобилизованных в керамические матрицы, и электронного строения фотоактивных комплексов d- и f-элементов новых люминофоров с помощью рентгеновской спектроскопии поглощения синхротронного излучения, направленном на достижение контролируемого химического синтеза данных материалов с заданным набором высокоэффективных свойств, востребованных для атомной энергетической отрасли. Задачи в первый год реализации проекта: – получение методами направленного химического синтеза образцов неорганических сорбентов для извлечения урана и актиноидов, а также 137Cs, 90Sr и 60Co из ЖРО с высоким солесодержанием и проведение комплексного исследования физико-химических характеристик и функциональных сорбционных свойств; – исследование механизмов адсорбции 238U на слоистых двойных гидроксидах (СДГ) c применением методов спектроскопии рентгеновского поглощения (XANES и EXAFS); – проведение исследования химического состояния активных элементов методами XANES комплексов Yb3+, применимых в качестве люминофоров и сцинтилляторов, моделирование электронной структуры с учетом 4f-электронов методами теории функционала плотности, получение и интерпретация рентгеновских фотоэлектронных спектров XPS валентной области; – создание теоретических моделей и методологического подхода к поиску новых моно- и гетеро-металлических комплексов d- и f- элементов, определение возможного лигандного окружение и путей синтеза. Разработаны методы контролируемого химического синтеза сорбента Zn-Al-СДГ для извлечения 238U из ЖРО начального этапа ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Проведено исследование ключевых физико-химических и сорбционных характеристик в зависимости от катионного соотношения Zn2+/Al3+ и определено оптимальное катионное соотношение. С помощью методов EXAFS/XANES на КИСИ «Курчатов» впервые установлен механизм адсорбции U(VI) на Zn-Al-СДГ, заключающийся в образовании внутрисферных отрицательно-заряженных карбонатных и гидроксильных комплексов UO2(CO3)22- и UO2(OH)n(2-n)-. Разработан процесс направленного гидротермального синтеза кристаллических титаносиликатов фасмакодеритового структурного типа в дизамещенной натриево-калиевой форме (DTS), а также титаносиликатов структурного типа натисита. Проведено исследование физико-химических характеристик и сорбционной селективности в зависимости от длительности гидротермального синтеза. Показано, что синтезированные образцы обладают крайне высокой селективностью к радионуклидам 137Cs и 90Sr, и могут быть эффективно использованы для очистки ЖРО заключительного этапа ЯТЦ. Полученные результаты имеют прямое практическое применение в сфере очистки ЖРО, так как демонстрируют высокие значения ключевых функциональных характеристик сорбционной селективности и емкости. Применение Zn-Al-СДГ перспективно для радионуклидов урана с целью очистки ЖРО и полезного концентрирования. Применение титаносиликатов перспективно для очистки ЖРО от 137Cs, 90Sr и последующей иммобилизации этих радионуклидов в надежные керамические матрицы. Полученные результаты являются новыми и расширяют границы фундаментальных знаний в области взаимодействия урана с поверхностью неорганических сорбционных материалов, основ гидротермального химического синтеза и химической инженерии новых функциональных материалов, необходимых для развития атомной энергетики. С помощью методов EXAFS/XANES на КИСИ «Курчатов» определено координационное окружение фотолюминесцетного аддукта комплекса Yb3+, получены оптические характеристики в зависимости от источника возбуждения, экспериментально доказано сохранение молекулярной структуры соединения после растворения исследуемого аддукта в этаноле. В рамках работ по первому этапу проекта выполнены все заявленные индикаторы. Подготовлено и опубликовано 6 научных статей в ведущих российских и зарубежных журналах, рецензируемых базами данных Scopus и Web of Science (из них 2 статьи в журнале первого квартиля Q1), опубликовано 13 тезисов докладов конференций.