Ученые Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева вместе с коллегами из МИФИ, Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, Института катализа имени Г. С. Борескова СО РАН и научного центра «Курчатовский институт» нашли более простой и дешевый метод получения металлического технеция при помощи электрического тока, пропускаемого через растворы его соединений. Технеций можно будет извлекать таким методом из отработанного ядерного топлива. Исследование опубликовал Journal of Electroanalytical Chemistry, а кратко о нем сообщил отдел научной коммуникации РХТУ.
Природного технеция на Земле содержится крайне мало. Этот радиоактивный элемент образуется при естественном распаде в урановых и ториевых рудах. Но технеций в большом количестве содержится в отработанном ядерном топливе. Его широко применяют в ядерной медицине как контрастную метку для диагностики внутренних органов и опухолей: только в США он требуется для более чем 10 миллионов процедур в год.
При этом для визуализации тканей нужен не простой технеций, а его особый, метастабильный изотоп 99mTc с периодом полураспада всего 6 часов. Поэтому его получают прямо в клиниках с помощью портативных ядерных генераторов, в которых потоком нейтронов бомбардируются молибденовые мишени. Технеций потом выделяют из полученной смеси в несколько стадий, и вся процедура получается очень дорогой и сложной. Ее можно упростить, если для осаждения технеция использовать не химические методы, а электрохимические, то есть пропускать через смесь электрический ток.
«У технеция есть множество степеней окисления, и в смеси, получающейся после облучения молибденовой мишени, он преимущественно находится в своей высшей степени +7, а выделять его лучше всего уже в виде металла со степенью окисления 0 — так с ним дальше можно будет делать что угодно», — рассказывает профессор РХТУ Виталий Кузнецов. В экспериментах ученые работали с солью KTcO4 (степень окисления технеция в ней +7), они опускали в ее растворы платиновые электроды и подавали напряжение до 1,6 В. В обычных условиях, когда соль растворена только в воде, так получить металлический технеций невозможно: во время электролиза на поверхности электродов образуется пленка оксидов технеция, которая не проводит электрический ток и блокирует его дальнейшее восстановление до металла. Поэтому ученые подобрали другой электролит — вместо чистой воды использовали концентрированные водные растворы ацетатов, в которых поддерживался постоянный рН и нежелательные процессы были минимизированы.
Исследователи сначала показали с помощью электрохимических методов, что в таких средах Tc в степени окисления +7 может восстанавливаться до 0, а потом с помощью рентгеновской спектроскопии изучили структуру покрытий, получающихся на электродах при электролизе KTcO4. Оказалось, что пленки действительно содержат атомы технеция и только малые примеси оксидов, но сам технеций при этом находится не в металлическом, а в аморфном состоянии.
«Сам по себе химизм технеция достаточно сложный: у него уйма степеней окисления, склонность к образованию кластерных разновалентных соединений, — комментирует Кузнецов. — Например, только недавно разобрались, какого цвета технециевая кислота — долго считали, что она сама по себе имеет розовую или красную окраску, а недавно выяснилось, что ее красный цвет получается только из-за того, что она частично разлагается с появлением пятивалентного технеция. То есть сама химия и тем более электрохимия технеция исследована еще плохо, и было важно показать, что вообще существует такая принципиальная возможность получения полного электровосстановления технеция, пускай и с осаждением частично аморфного, а не полностью металлического покрытия».
В работе исследовали только KTcO4, но новый подход с использованием ацетатных растворов должен работать и в других случаях: например, в составе отработанного ядерного топлива, где, конечно, содержится еще очень много других компонентов, технеций содержится именно в степени окисления +7. Аналогичная ситуация и с метастабильным изотопом для ядерной медицины — в смеси, полученной после облучения молибденовой мишени, технеций тоже присутствует в степени окисления +7.
«Даже пертехнетат калия (KTcO4) — уже гадость жуткая из-за радиоактивности, — рассказывает Кузнецов. — У него слабая бета-активность, а значит, плохая проникающая способность, но приличная ионизирующая — от излучения, что называется, хорошо защищает лист бумаги, но если он попадет внутрь, будет плохо. А ты начинаешь его толочь, и он летит, пыль дает. Здесь, конечно, нужны серьезные меры радиационной безопасности: маски, перчатки, дозиметрический контроль. Поэтому даже с ним работать сложно, а если, например, сразу пробовать отрабатывать электроосаждение на метастабильном изотопе технеция, который распадается за часы, то всё станет еще сложней».
У новых результатов есть еще одно перспективное применение, кроме ядерной медицины или очистки радиоактивных отходов. С помощью предложенного электроосаждения технеций можно в перспективе получать из отработанного ядерного топлива, а дальше уже из самого технеция посредством ядерных реакций можно синтезировать рутений — драгоценный металл платиновой группы, который сейчас всё активней используют в электронике, в то время как его запасы в земной коре чрезвычайно ограничены. Сейчас ученые отрабатывают новые составы сред для проведения электроосаждения с получением более качественных металлических покрытий технеция, а затем планируют запатентовать процесс.
