Preparation and Structure of Uranium-Incorporated Gd2Zr2O7 Compounds and Their Thermodynamic Stabilities under Oxidizing and Reducing Conditions

化学 锕系元素 氧化剂 氧化态 晶格能 金属 裂变产物 晶体结构 分析化学(期刊) 无机化学 结晶学 放射化学 材料科学 有机化学 冶金 色谱法
作者
Mohsin Jafar,S. Phapale,Balaji P. Mandal,Ratikant Mishra,A. K. Tyagi
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:54 (19): 9447-9457 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5b01300
摘要

Gd2Zr2O7 is being contemplated as a futuristic matrix for the incorporation of high-level radioactive nuclear waste. This compound has the unique ability to incorporate several fission products and heavy metal ions like uranium and thorium into its lattice sites without undergoing structural changes. X-ray diffraction analyses of Gd2-xUxZr2O7+δ samples indicate that the parent compound can incorporate a substantial amount of uranium, both under oxidizing and reducing conditions. The oxidation state of these samples was investigated by X-ray photoelectron spectroscopy. The thermodynamic stability of uranium-substituted Gd2Zr2O7 is an important parameter that will govern the long-term storage of uranium and minor actinides in this matrix. High-temperature calorimetry has been used to investigate the stability of the Gd2-xUxZr2O7+δ (0.00 ≤ x ≤ 0.15) compositions. The standard molar free energy of the formation of Gd2-xUxZr2O7+δ (0.00 ≤ x ≤ 0.15) compositions has been estimated. From the free energy of formation data, the sample corresponding to x = 0.15 was found to be most stable in the Gd2-xUxZr2O7+δ (0.00 ≤ x ≤ 0.15) series. The relative stabilities of U(4+) and U(6+) substituted gadolinium zirconate have been discussed on the basis of the charge on the uranium ion and the incorporation of corresponding extra oxygen atoms into the lattice for charge compensation.
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