Nya forskarrön om kopparmetallens egenskaper

Publicerad 2012-01-17

I samhällsdebatten om säker slutförvaring av kärnbränsleavfall diskuteras frågetecken kring kopparmaterialets egenskaper. Nu har ett forskarlag från KTH genomfört en studie som ökar förståelsen för egenskaperna hos olika former av koppar.

Ett kopparlock svetsas på ett kopparrör till en tät kapsel, som ska användas för slutförvaring av använt kärnbränsle i Sverige. Planen är att bygga ett geologiskt djupförvar, och att använda ett fem centimeter tjockt kopparhölje som korrosionsbarriär. Foto: SKB/Curt-Robert Lindqvist

– Studien har betydelse för slutförvaringen av använt kärnbränsle. Den fyller ett viktigt gap i baskunskapen om hur väte och syre reagerar med kopparmetall, säger forskarna Pavel Korzhavyi och Börje Johansson vid Materialvetenskapliga institutionen på KTH.

En grundläggande förståelse för materialets egenskaper och reaktioner med omgivningen är nödvändig för att forskarna ska kunna analysera ett långsiktigt säkert slutförvar av använt kärnbränsle.

Christina Lilja, SKB, foto: Mia Lindh

– Koppar har valts som material till de kapslar som använt kärnbränsle ska förvaras i, tack vare sin motståndskraft mot korrosion. Den samlade kunskapen om kopparföreningar är grunden i analyser av korrosion i kärnbränsleförvaret, säger Christina Lilja. Hon är ansvarig för forskning om kapselmaterial på Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB), och medförfattare till studien.

Studien ”Exploring monovalent copper compounds with oxygen and hydrogen”, somfinansierats av bland annat Vetenskapsrådet och SKB (Svensk Kärnbränslehantering AB), publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

I forskarlaget ingår Pavel A. Korzhavyi, Inna L. Soroka och Börje Johansson från KTH, Eyvaz I. Isaev från Linköpings universitet (avliden), samt Christina Lilja från Svensk Kärnbränslehantering AB.

 

– Vi initierade studien för att vi ville veta om det kunde finnas ytterligare någon stabil kopparförening som inte tidigare upptäckts. Studiens resultat visar att det teoretiskt sett kan finnas en sådan förening, koppar(I)hydroxid, men att den inte är stabil. I och med att den är mindre stabil än de kända kopparoxiderna kan den inte långsiktigt vara en drivkraft för korrosion, säger Christina Lilja.

Börje Johansson, KTH

Även inom andra områden, som vätgasproduktion och drift av bränsleceller, har koppar på senare tid diskuterats som ett framtida materialalternativ. Allt fler potentiella användningsområden ökar också kraven på förståelse av kopparmaterialets fysikaliska och kemiska egenskaper, både hos stabila och instabila kopparföreningar.

Bland de envärda kopparföreningarna med syre och väte, är koppar(I)oxiden Cu2O den enda riktigt stabila, och därför den mest studerade. Genom att kombinera kvantmekaniska beräkningar med experimentella studier har forskarlaget nu undersökt ytterligare möjligheter för stabila föreningar med envärd (monovalent) koppar.

KTH-forskaren Pavel Korzhavyi berättar att forskargruppen nu lyckats visa att kopparhydrid (CuH) och kopparhydroxid (CuOH) existerar i fast form. Studien fastslår även vissa kemiska och fysikaliska egenskaper hos dessa båda föreningar.

Pavel Korzhavyi, KTH

– De fasta faserna är dock metastabila former, och exempelvis sönderdelas kopparhydriden (CuH) spontant till metalliskt koppar och vätgas. Utifrån teoretiska beräkningar förutspår vår studie att koppar(I)hydroxiden sönderfaller till koppar(I)oxid och vatten.

Metalloxider generellt, liksom metall-hydroxider och -hydrider, är mycket viktiga kemiska föreningar med många användningsområden. Materialen uppvisar för många metaller ett flertal oxidationstal där reduktion-oxidationspotentialerna mellan de olika formerna är små. För kopparmetallen är detta förhållande speciellt känsligt. Koppar i föreningar kan finnas i oxidationstal från +1 till +4, och de vanligaste jontillstånden hos koppar är +2 och +1. Vid ordinära yttre betingelser är koppars mest stabila föreningar med syre och väte koppar(II)oxid CuO (stabil, känd som svart kopparoxid) och koppar(II)hydroxid Cu(OH)(metastabil).


För mer information, kontakta Pavel Korzhavyi,  på 073-695 49 60, pavel@mse.kth.se, eller Börje Johansson, 070-417 54 52, borje.johansson@mse.kth.se.

Katarina Ahlfort

Läs sammanfattning av artikeln i PNAS här

Kopparblommor på PNAS omslag

Omslagsbilden som valts ut till PNAS senaste publikation föreställer en mikroskopisk förstoring av Cu-CuH-pulver från KTH:s laboratorium. Kopparpartiklarna bildas när kopparhydrid sönderdelas. Fotot är taget med svepelektronmikroskop och har färglagts i efterhand.

Forskaren Inna L. Soroka syntetiserade och studerade kopparhydridpulvret i laboratoriet vid KTH:s avdelning för tillämpad fysikalisk kemi, och för att få bilder med högre mikroskopisk upplösning sände hon pulverpartiklar till Nadezda Tarakina vid universitetet i Würzburg. Fotona hon fick tillbaka fick alla att häpna.

De ovanliga kopparblommorna påminner i sin struktur om den naturliga kristallen ökenros, som bildas av mineral och vatten i ökenområden.

http://www.pnas.org/