隨著化石能源的日益枯竭，核能因其高效、清潔等特點(diǎn)備受關(guān)注。然而，核燃料循環(huán)過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生放射性廢物，其處理和處置成為核能發(fā)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(chǎn)物，具有比錒系元素更高的中子反應(yīng)截面，比錒系元素更容易捕獲中子。為更好地實(shí)現(xiàn)嬗變，將裂變產(chǎn)物中的鑭系元素進(jìn)行有效分離對(duì)核燃料循環(huán)具有重要意義。同時(shí)，鑭系元素作為一種戰(zhàn)略性資源，在光學(xué)、磁學(xué)、催化等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。實(shí)際上，在其開(kāi)采與應(yīng)用過(guò)程中會(huì)造成鑭系元素在環(huán)境中的泄露，既造成資源的浪費(fèi)又危害人們的健康。然而，實(shí)際環(huán)境體系復(fù)雜，廢液常常呈強(qiáng)酸性，并含有大量干擾離子。從復(fù)雜環(huán)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(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員黃小滎領(lǐng)導(dǎo)的課題組在研究員馮美玲主持的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院海西研究院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所與城市環(huán)境研究所融合發(fā)展基金項(xiàng)目、福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等的資助下，開(kāi)展了對(duì)長(zhǎng)壽命放射性核素（鈾、裂變產(chǎn)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）；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，他們?cè)诟哌x擇性富集鑭系元素方面的研究取得新進(jìn)展，合成了耐酸堿、耐輻照的層狀釩酸鹽離子交換材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)鑭系元素離子（Ln³⁺）仍然具有高效的富集和高選擇性的分離能力。該釩酸鹽離子交換材料具有廣泛的酸堿穩(wěn)定性（pH = 1.9-12.3），對(duì)Ln³⁺離子具有高的吸附量（q_m^Eu = 161.4 mg/g; q_m^Sm = 139.2 mg/g），特別有意義的是在酸性條件下（pH = 2.5）對(duì)Eu³⁺離子仍然有高的吸附量（q_m^Eu = 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(duì)Eu³⁺離子具有高的選擇性，尤其是在Cs⁺/Sr²⁺離子存在下仍能選擇性吸附Eu³⁺離子，其分離因子超過(guò)了100（SF_Eu/Cs = 156、SF_Eu/Sr = 134），是目前報(bào)道的最高值。該材料還具有強(qiáng)的耐輻照性，在極大劑量的β（200 kGy）和γ（50 kGy）射線輻照后，對(duì)Eu³⁺離子的去除率仍然可以達(dá)到88%以上。更為重要的是，吸附的鑭系元素能夠通過(guò)便捷的方法將其洗脫，達(dá)到回收鑭系元素的目的。進(jìn)一步地通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬理論研究并結(jié)合XPS、EXAFS、Raman等手段在微觀尺度上明晰了機(jī)理。理論計(jì)算表明Eu³⁺離子與陰離子框架的作用明顯強(qiáng)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(xié)同作用是該材料對(duì)Ln³⁺離子高效富集的原因所在。機(jī)理的闡釋進(jìn)一步明晰了鑭系元素的去污行為與吸附材料的組成和微觀結(jié)構(gòu)的密切相關(guān)性。該工作為新型鑭系金屬離子交換劑的研發(fā)和去污機(jī)理的研究提供了參考，為鑭系元素污染的治理和資源的回收利用研究提供了新思路。

　　相關(guān)研究結(jié)果以全文形式發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 1878-1883）上，第一作者為福建物構(gòu)所和福建師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生孫海燕，唯一通訊作者為馮美玲。

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耐酸堿耐輻照釩酸鹽離子交換材料高選擇性富集鑭系元素研究獲進(jìn)展