耐辐照钒酸盐离子交换材料高选择性富集镧系元素
随着化石能源的日益枯竭，核能因其高效、清洁等特点备受关注。然而，核燃料循环过程中不可避免地产生放射性废物，其处理和处置成为核能发展的重要掣肘因素。其中，镧系元素是核乏燃料中的重要裂变产物，具有比锕系元素更高的中子反应截面，比锕系元素更容易捕获中子。为更好地实现嬗变，将裂变产物中的镧系元素进行有效分离对核燃料循环具有重要意义。同时，镧系元素作为一种战略性资源，在光学、磁学、催化等领域有着重要的应用。实际上，在其开采与应用过程中会造成镧系元素在环境中的泄露，既造成资源的浪费又危害人们的健康。然而，实际环境体系复杂，废液常常呈强酸或强碱性，并含有大量干扰离子。从复杂环境体系中高效、高选择性富集和分离镧系元素仍然是这一领域的重点和难点。
中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室黄小荥课题组的冯美玲研究员领导的研究团队围绕放射性核素去污方面存在的重点和难点问题，基于利用晶态离子交换材料实现对放射性污染物的固相-离子识别分离的研究思路，开展了对长寿命放射性核素（铀、裂变产物铯和锶、镧系元素等）的富集和分离研究，已获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，入选 ESI高被引论文）；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，冯美玲研究员领导的研究小组在高选择性富集镧系元素方面的研究取得新进展：基于引入高价金属离子增强阴离子框架电荷密度，从而提高目标核素离子与阴离子框架相互作用的研究策略，合成了耐酸碱、耐辐照的层状钒酸盐离子交换材料，实现了对镧系元素的高效富集。特别地，这种层状材料在酸性条件下和高浓度干扰离子的存在下对镧系元素离子（Ln3+）仍然具有高效的富集和高选择性的分离。
该钒酸盐离子交换材料具有广泛的酸碱稳定性（pH = 1.9-12.3），对Ln3+离子具有高的吸附量（qmEu = 161.4 mg/g； qmSm = 139.2 mg/g），特别有意义的是在酸性条件下（pH = 2.5）对Eu3+离子仍然有高的吸附量（qmEu = 75.1 mg/g）。而且该材料在高浓度碱/碱土金属离子的存在下，对Eu3+离子具有高的选择性，尤其是在放射性Cs+ (Sr2+)离子存在下仍能选择性吸附Eu3+离子，其分离因子超过了100（SFEu/Cs = 156、SFEu/Sr = 134），是目前报道的最高值。此外，该材料还具有强的耐辐照性，在极大剂量的β（200 kGy）和γ（50 kGy） 射线辐照后，对Eu3+离子的去除率仍然可以达到88%以上。更为重要的是，吸附的镧系元素能够通过便捷的方法将其洗脱，达到回收镧系元素的目的。
进一步地通过静态几何优化和基于DFT的分子动力学模拟理论研究并结合XPS、EXAFS、Raman等手段在微观尺度上明晰了机理。理论计算表明Eu3+离子与阴离子框架的作用明显强于碱金属或碱土金属离子与框架的作用，层间存在可交换的[Me2NH2]+离子，这些有利因素的协同作用是该材料对Ln3+离子高效富集的原因所在。机理的阐释进一步明晰了放射性核素的去污行为与吸附材料的组成和微观结构的密切相关性。该工作为新型放射性离子交换剂的研发和去污机理的研究提供了参考，为镧系放射性污染的治理和资源的回收利用研究提供了新思路。相关研究结果近期发表在 Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者为硕士生孙海燕，通讯作者为冯美玲研究员。
该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、福建省自然科学基金面上项目、中国科学院海西研究院福建物质结构研究所与城市环境研究所融合发展基金项目的支持。
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