Des chercheurs du Centre de recherche Energy Frontier sur la dynamique interfaciale dans les environnements et matériaux radioactifs (IDREAM) ont quantifié des espèces transitoires penta-coordonnées d'Al3+ lors de la cristallisation de la gibbsite à partir de gels d'aluminium hydraté dans des solutions d'hydroxyde de sodium concentré. La recherche montre que les électrolytes concentrés en solution affectent la liaison hydrogène, interactions ioniques, et les géométries de coordination de manière actuellement imprévisible.

Ces études mécanistes soutiennent le développement de nouveaux schémas de procédé pour accélérer le traitement des déchets radioactifs sur deux sites du ministère de l'Énergie. Plus loin, les études peuvent fournir des voies moins énergivores pour la production industrielle d'aluminium.

La gibbsite (α-Al(OH)3) est une ressource minérale importante pour la production industrielle d'aluminium. Il est également présent en grande quantité dans les réservoirs de déchets hautement radioactifs des sites du département américain de l'Énergie dans l'État de Washington et en Caroline du Sud. Le traitement traditionnel pour la production d'aluminium ou le traitement des déchets radioactifs est une activité énergivore. Le traitement implique le chauffage pour faciliter la dissolution de la gibbsite dans des solutions hautement alcalines d'électrolytes concentrés. Le chauffage est suivi d'un refroidissement pour favoriser les précipitations de ces systèmes chimiquement extrêmes.

Pour le traitement des déchets radioactifs, les étapes de dissolution et de précipitation sont souvent assez lentes. Pourquoi? En partie, les deux processus impliquent des changements dans la géométrie de coordination de l'aluminium trivalent. En phase solide, c'est six coordonnées pour donner une géométrie octaédrique. Pour passer à la phase de résolution, l'ion aluminium doit changer sa géométrie en une forme tétraédrique à quatre coordonnées.

Dirigé par Jian Zhi Hu et Kevin Rosso, l'équipe a mené des études de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à angle magique à champ élevé qui ont sondé les interactions ioniques, organisation résolue, et les propriétés du solvant pendant la précipitation de la gibbsite. L'équipe a capturé la dynamique du système en temps réel en fonction des conditions expérimentales, révélant des détails mécaniques auparavant inconnus.

Les travaux de l'équipe montrent que le changement de coordination n'est pas une simple transition entre les espèces tétraédriques et octaédriques. Le changement implique un centre métallique en aluminium penta-coordonné intermédiaire. Plus loin, ces espèces sont influencées par des changements subtils dans l'organisation des solutés et des solvants. Ces modifications conduisent à des réseaux de gel qui peuvent parfois faciliter la formation ou la dissolution de la phase solide. Comprendre comment la coordination de l'aluminium change dans des environnements extrêmes peut conduire à des gains d'efficacité dans la production d'aluminium et accélérer le traitement des déchets radioactifs.