Dehydration of the Uranyl Peroxide Studtite, [UO2(η2-O2)(H2O)2]·2H2O, Affords a Drastic Change in the Electronic Structure: A Combined X-ray Spectroscopic and Theoretical Analysis

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作者
Tonya Vitova,Ivan Pidchenko,Saptarshi Biswas,George Beridze,Peter W. Dunne,Dieter Schild,Zhe-Ming Wang,Piotr M. Kowalski,Robert J. Baker
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:57 (4): 1735-1743 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.7b02326
摘要

The minerals studtite, [UO22-O2)(H2O)2]·2H2O, and metastudtite, [UO22-O2)(H2O)2], are uranyl peroxide minerals that are major oxidative alteration phases of UO2 under conditions of geological storage. The dehydration of studtite has been studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption spectroscopy. XPS of the U 4f region shows small but significant differences between studtite and metastudtite, with the 4f binding energy of studtite being the highest reported for a uranyl mineral studied by this technique. Further information about the changes in the electronic structure was elucidated using U M4-edge high-energy resolution X-ray absorption near-edge structure (HR-XANES) spectroscopy, which directly probes f orbital states. The transition from the 3d to 5fσ* orbital is sensitive to variations in the U═Oaxial bond length and to changes in the bond covalency. We report evidence that the covalence in the uranyl fragment decreases upon dehydration. Photoluminescence spectroscopy at near-liquid helium temperatures reveals significant spectral differences between the two materials, correlating with the X-ray spectroscopy results. A theoretical investigation has been conducted on the structures of both studtite and metastudtite and benchmarked to the HR-XANES spectra. These illustrate the sensitivity of the 3d to 5f σ* transition toward U═Oaxial bond variation. Small structural changes upon dehydration have been shown to have an important electronic effect on the uranyl fragment.
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