耐輻照釩酸鹽離子交換材料高選擇性富集鑭系元素

　　隨著化石能源的日益枯竭，核能因其高效、清潔等特點備受關注。然而，核燃料循環過程中不可避免地產生放射性廢物，其處理和處置成為核能發展的重要掣肘因素。其中，鑭系元素是核乏燃料中的重要裂變產物，具有比錒系元素更高的中子反應截面，比錒系元素更容易捕獲中子。為更好地實現嬗變，將裂變產物中的鑭系元素進行有效分離對核燃料循環具有重要意義。同時，鑭系元素作為一種戰略性資源，在光學、磁學、催化等領域有著重要的應用。實際上，在其開采與應用過程中會造成鑭系元素在環境中的泄露，既造成資源的浪費又危害人們的健康。然而，實際環境體系復雜，廢液常常呈強酸或強堿性，并含有大量干擾離子。從復雜環境體系中高效、高選擇性富集和分離鑭系元素仍然是這一領域的重點和難點。

　　中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室黃小滎課題組的馮美玲研究員領導的研究團隊圍繞放射性核素去污方面存在的重點和難點問題，基于利用晶態離子交換材料實現對放射性污染物的固相-離子識別分離的研究思路，開展了對長壽命放射性核素（鈾、裂變產物銫和鍶、鑭系元素等）的富集和分離研究，已獲得了一系列研究成果（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11133-11140；J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 4314-4317；J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12578-12585，入選 ESI高被引論文）；Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 8623-8626，hot paper；J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 3967-3976；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 5665-5673）。

　　近日，馮美玲研究員領導的研究小組在高選擇性富集鑭系元素方面的研究取得新進展：基于引入高價金屬離子增強陰離子框架電荷密度，從而提高目標核素離子與陰離子框架相互作用的研究策略，合成了耐酸堿、耐輻照的層狀釩酸鹽離子交換材料，實現了對鑭系元素的高效富集。特別地，這種層狀材料在酸性條件下和高濃度干擾離子的存在下對鑭系元素離子（Ln3+）仍然具有高效的富集和高選擇性的分離。

　　該釩酸鹽離子交換材料具有廣泛的酸堿穩定性（pH = 1.9-12.3），對Ln3+離子具有高的吸附量（qmEu = 161.4 mg/g； qmSm = 139.2 mg/g），特別有意義的是在酸性條件下（pH = 2.5）對Eu3+離子仍然有高的吸附量（qmEu = 75.1 mg/g）。而且該材料在高濃度堿/堿土金屬離子的存在下，對Eu3+離子具有高的選擇性，尤其是在放射性Cs+ (Sr2+)離子存在下仍能選擇性吸附Eu3+離子，其分離因子超過了100（SFEu/Cs = 156、SFEu/Sr = 134），是目前報道的最高值。此外，該材料還具有強的耐輻照性，在極大劑量的β（200 kGy）和γ（50 kGy） 射線輻照后，對Eu3+離子的去除率仍然可以達到88%以上。更為重要的是，吸附的鑭系元素能夠通過便捷的方法將其洗脫，達到回收鑭系元素的目的。

　　進一步地通過靜態幾何優化和基于DFT的分子動力學模擬理論研究并結合XPS、EXAFS、Raman等手段在微觀尺度上明晰了機理。理論計算表明Eu3+離子與陰離子框架的作用明顯強于堿金屬或堿土金屬離子與框架的作用，層間存在可交換的[Me2NH2]+離子，這些有利因素的協同作用是該材料對Ln3+離子高效富集的原因所在。機理的闡釋進一步明晰了放射性核素的去污行為與吸附材料的組成和微觀結構的密切相關性。該工作為新型放射性離子交換劑的研發和去污機理的研究提供了參考，為鑭系放射性污染的治理和資源的回收利用研究提供了新思路。相關研究結果近期發表在 Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者為碩士生孫海燕，通訊作者為馮美玲研究員。

　　該研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、福建省自然科學基金面上項目、中國科學院海西研究院福建物質結構研究所與城市環境研究所融合發展基金項目的支持。