I ricercatori dell'Energy Frontier Research Center IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials) hanno quantificato specie Al3+ penta-coordinate transitorie durante la cristallizzazione della gibbsite da gel di alluminio idrato in soluzioni di idrossido di sodio concentrato. La ricerca mostra che gli elettroliti concentrati in soluzione influenzano il legame idrogeno, interazioni ioniche, e geometrie di coordinamento in modi attualmente imprevedibili.

Questi studi meccanicistici supportano lo sviluppo di nuovi fogli di flusso di processo per accelerare il trattamento dei rifiuti radioattivi in ​​due siti del Dipartimento dell'Energia. Ulteriore, gli studi possono fornire percorsi meno energivori per la produzione industriale di alluminio.

La gibbsite (α-Al(OH)3) è un'importante risorsa minerale per la produzione industriale di alluminio. È anche presente in grandi quantità nei serbatoi di rifiuti radioattivi ad alto livello presso i siti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nello stato di Washington e nella Carolina del Sud. La lavorazione tradizionale per la produzione di alluminio o per il trattamento dei rifiuti radioattivi è un'attività ad alta intensità energetica. La lavorazione prevede il riscaldamento per facilitare la dissoluzione della gibbsite in soluzioni altamente alcaline di elettroliti concentrati. Il riscaldamento è seguito dal raffreddamento per incoraggiare la precipitazione da questi sistemi chimicamente estremi.

Per il trattamento dei rifiuti radioattivi, le fasi di dissoluzione e precipitazione sono spesso piuttosto lente. Come mai? In parte, entrambi i processi comportano cambiamenti nella geometria di coordinazione dell'alluminio trivalente. Nella fase solida, sono sei coordinate per dare una geometria ottaedrica. Per passare alla fase risolutiva, lo ione alluminio deve cambiare la sua geometria in una forma tetraedrica a quattro coordinate.

Guidati da Jian Zhi Hu e Kevin Rosso, il team ha condotto studi di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare ad angolo magico ad alto campo che hanno sondato le interazioni ioniche, organizzazione soluta, e proprietà del solvente durante la precipitazione della gibbsite. Il team ha catturato la dinamica del sistema in tempo reale in funzione delle condizioni sperimentali, rivelando dettagli meccanicistici precedentemente sconosciuti.

Il lavoro del team mostra che il cambiamento nella coordinazione non è una semplice transizione tra le specie tetraedriche e ottaedriche. La modifica prevede un centro intermedio in alluminio pentacoordinato. Ulteriore, queste specie sono influenzate da sottili cambiamenti nell'organizzazione dei soluti e dei solventi. Questi cambiamenti portano a reti di gel che a volte possono facilitare la formazione o la dissoluzione della fase solida. Comprendere come cambia il coordinamento dell'alluminio in ambienti estremi può portare a efficienze nella produzione di alluminio e accelerare il trattamento dei rifiuti radioattivi.