离子交换材料捕获放射性核素研究
核燃料循环过程中不可避免地产生放射性废物，放射性核素在处理与处置过程中常以离子的形式存在，易迁移、转化，给环境带来潜在的放射性污染风险。这类污染具有辐射损伤、生物累积、毒性高、危害大的特点，对人类的生存与发展造成巨大威胁。如何安全处置放射性废物、实现核资源循环利用是核能可持续发展所迫切需要解决的关键问题。
针对从复杂环境体系中高效、高选择性富集和去除放射性核素这一放射化学领域的难题和迫切需求，在方向负责人冯美玲研究员的带领下，我们一直致力于开发应用于放射性废液处理的新型离子交换材料。发展了“利用碱金属离子/质子化小分子有机胺与放射性核素进行离子交换”的策略，设计合成若干系列的层状和微孔金属硫化物、金属含氧酸盐等新型晶态离子交换材料，以实现对放射性核素的高效固相-离子识别和分离；利用单晶结构解析、EXAFS、理论计算等手段揭示放射性核素吸附行为与材料微观结构之间的构效关系；通过调控材料的开放骨架、活性作用位点、结构柔性响应等，实现对放射性核素吸附效率、选择性等性能的提升，在放射性污染控制研究领域取得创新性研究成果。
（一）金属硫属化物离子交换材料
借助S2-、Se2-（Lewis软碱）对放射性离子的亲和力、硫属化物框架结构的柔性，设计合成了系列层状和三维微孔硫属化物离子交换材料，实现了复杂环境条件下对Cs+、Sr2+、UO22+等离子的快速、高选择性去除（Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 8623，热点论文；授权专利：ZL 200810071790.7；J. Mater. Chem. A 2015, 3, 5665；J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12578；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4314；J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11133；Chem. Mater. 2020, 32, 1957; ACS ES&T Water 2021, 1, 2440；Chem. Eng. J. 2021, 420, 127613; Environ. Sci. Adv. 2022, 1, 331；Chem. Eng. J. 2022, 429, 132474）。特别是在强酸性条件下高选择性捕获Cs+离子方面取得重要突破，并阐释了在强酸性条件下H3O+离子对Cs+离子选择性捕获的影响机制（Nat. Commun. 2022, 13, 658）。
（二）金属含氧酸盐基离子交换材料
发展高稳定金属含氧酸盐基离子交换材料，利用含氧酸盐阴离子框架上的M-O活性位点与核素离子的相互作用、模板阳离子的可交换性，实现对Ln3+、Cs+等离子的高选择性捕获（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 1878；J. Hazard. Mater. 2022, 443, 128869；Chem. Eng. J. 2023, 460, 141697；Small 2023, 19(24), 220812）。
（三）金属-有机框架离子交换材料
金属-有机框架（MOFs）是活跃在吸附领域的热门材料，高度有序的多孔结构以及丰富的功能基团使其在去除核素离子方面表现出了巨大潜力。我们研发了可高选择性捕获Sr2+离子的三维阴离子型稀土草酸盐，在探讨稀土草酸框架捕获Sr2+离子影响因素的同时阐明了其选择性的来源（Chem. Eng. J. 2022, 435, 134906）。同时，我们致力于利用MOFs的高结晶性明晰构效关系，实现离子交换机理的可视化（J. Mater. Chem. A 2018, 6, 3967; JACS Au 2022, 2, 492；Acta Chim. Sinica 2022, 80, 640）。
（四）功能复合吸附材料
为解决无机离子交换材料在放射性废水实际处理应用中面临的机械稳定性低、可实际操作性差、难回收等问题，我们利用物理、化学复合手段成型造粒或者成膜，开发面向实际工业废水处理过程中固定床柱分离或膜分离的新型复合吸附材料。目前，我们已研发了可高效捕获UO22+离子的纳米硫化锌-胶原纤维复合材料（Sep. Purif. Technol. 2023, 125856）；开发了FJSM-SnS/聚丙烯腈复合离子交换材料（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 13434），提高了材料机械稳定性、实际可操作性，克服了单一无机材料的实际应用局限，实现酸性条件下高效的Cs+、Sr2+离子去除。我们也在进一步开展气凝胶、水凝胶、静电纺丝膜等复合功能材料去除核素离子的研究。
在相关研究成果的基础上，应邀发表了多篇综述性文章（Coord. Chem. Rev. 2016, 322, 41；Chem. Rec. 2016, 16, 582; Chinese J. Struc. Chem. 2020, 39, 2157; Fundam. Res. 2023. DOI: 10.1016/j.fmre.2023.10.022; ISBN: 9783527831753, Chapter 5, pp. 195-282）。
该研究方向目前/曾经由以下项目基金支持：
国家杰出青年科学基金、
国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目、
国家自然科学基金面上项目（5项）、
国家自然科学基金青年项目、
国家高层次人才计划青年项目、
福建省青年拔尖人才、
福建省自然科学基金“杰出青年”项目、
福建省自然科学基金面上项目（2项）、
福建省青年人才项目、
中国科学院青年创新促进会专项基金、
中国科学院海西研究院融合发展基金、
中国科学院海西研究院“春苗”青年人才专项等。
离子交换材料捕获放射性核素研究
无机-有杂化材料在新型发光材料的研究上展现出了诱人的前景。其中，无机-有机杂化金属卤化物由于其合成方法简单、成本低廉、功能丰富、性能优越等特点而更加引人注目。有机与无机部分的多样选择性，为设计杂化金属卤化物带来了许多可能。例如，在其有机阳离子的选择上，离子液体阳离子因其存在着丰富的超分子作用而受到青睐；这些超分子作用不仅能带来弱分子间作用力下不同的堆积结构和拓扑结构，还能提升材料分子间的刚性环境，从而提升发光效率。而在无机中心金属离子的选择上，ns2电子构型的主族金属离子脱颖而出；这是由于其孤对电子的存在，配位数及构型灵活多变，易与卤离子形成配阴离子，进而能够与有机阳离子通过丰富的分子间作用组装形成结构多样的杂化离子型金属卤化物。进一步地，由于这类ns2型金属离子具有丰富的结构配位数以及灵活的立体化学构型，它们易与有机小分子、卤离子等配位形成结构类型可调的多核簇结构基元，簇的引入带来更多的超分子作用位点，并可进一步与各类阳离子形成结构及组成明确、结构类型丰富的发光簇合物。
我们的研究致力于将有机阳离子（包括卤化物离子液体、有机铵盐、有机膦盐等）、ns2电子构型的主族金属离子Sb（III）、Bi（III）、Pb（II）、Te（IV）和d10电子构型的主族金属离子In（III）以及过渡金属离子Mn(II)等的配阴离子、有机配体进行组装，形成组成多样、结构类型与尺寸可调、高光效且廉价的杂化金属卤化物发光材料，并探索它们在LED发光、信息加密与防伪、传感等领域的应用。
研究主要从以下两个方面展开：
一、杂化金属卤化物发光材料的构效关系研究。
从阳离子组成与结构（支链数量、长度等），键长、键角等角度研究杂化金属卤化物结构与发光性能之间的构效关系，研究涵盖Sb基（Chem. Commun. 2015, 51, 3094-3097；Inorg. Chem. 2021, 60, 23, 17837-17845；Chem. Commun. 2021, 57, 13784-13787; Dalton Trans. 2022, 51, 4919-4926；J. Phys. Chem. C 2022, 126, 17381-17389）、Bi基（Chem. Eur. J. 2017, 23, 15795-15804；Inorg. Chem. 2019, 58, 8079-8085；Inorg. Chem. 2020, 59, 13465-13472；J. Mater. Chem. C 2021, 9, 1814-1821；Inorg. Chem. Front. 2021, 8, 4474-4481; CrystEngComm 2021, 23, 3744-3752; Dalton Trans., 2021, 50, 16406）、Pb基（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 9803-9807；Dalton Trans. 2019, 48, 6690-6694）、Te基（Inorg. Chem. 2018, 57, 5282-5291）、In基（Dalton Trans. 2021, 50, 16406-16413；Inorg. Chem. 2023, 62, 18331-18337）以及Mn基（Chem. Commun. 2019, 55, 7303-7306）杂化卤化物。于2021年撰写综述对非质子型离子液体阳离子构筑的零维金属卤化物发光材料进行了全面的总结和展望（金建策、黄小荥等，Coordin. Chem. Rev. 2021, 214185）；
二、刺激响应型杂化金属卤化物的合成及其应用研究。
研究聚焦于调控杂化金属卤化物结构中的超分子作用力以调控其刺激响应性能的研究。包括Sb基（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9974-9978（三重热致荧光转变）; Inorg. Chem. 2021, 60, 23, 17837-17845（溶剂变色）；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23373-23379（多米诺相变））、Pb基（Chem. Eng. J. 2021, 424, 130544（热致变色））杂化卤化物。于2020年应邀撰写综述介绍了杂化锑、铋卤化物中的相变与荧光转变（申南南、黄小荥等，CrystEngComm 2020, 22, 3395-3405）；2022年应邀撰写综述介绍了杂化金属卤化物这类新型刺激响应荧光材料（王泽平、黄小荥，Chem. Eur. J. 2022, 28, e202200609）
该研究方向目前/曾经由以下项目基金支持：国家自然科学基金重大研究计划培育项目（1项）、国家自然科学基金面上项目（1项）、国家自然科学基金青年项目（1项）、福建省自然科学基金面上项目（1项）、福建省自然科学基金青年基金项目（1项）。
新型团簇基晶体
团簇，是介于单个原子和体相结构之间的一种特殊存在形态。基于团簇的复杂多级结构具有独特的结构特征和性能。本研究方向负责人为胡冰副研究员。我们致力于利用结构剪裁等策略，设计合成不同体系（异金属氧（卤）化物、稀土硫氧化物等）的新颖团簇；并利用团簇作为构建单元，发挥各层级构建单元易于定向设计的优势，通过层级组装等有效方式，精准构筑原子精确的团簇多级结构；明晰各层级构建单元及功能连接组分的组成、构型和尺寸对团簇多级结构构筑的影响机制，揭示组装中的结构演化过程，从原子层面深入理解团簇多级结构的组装机理，从而为新型团簇多级结构的精准定向组装提供开拓性思路，并进一步研究所得团簇基材料的催化、磁性、传导、离子交换等性能（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202219025；Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8110；Chem. Commun. 2019, 55, 7442；ACS Appl. Mater. & Interfaces 2020, 12, 26222）。
该研究方向目前/曾经由以下项目基金支持：国家自然科学基金创新群体项目子课题、重大研究计划培育项目、科技部973、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、福建省自然科学基金面上项目。
金属硫属光催化和电池材料
面向能源和环境问题，开发新型清洁可再生能源、高效储能器件以及污染物去除材料已迫在眉睫。金属硫属化物由于其储量丰富且具有独特的物理和化学性质，在能源与环境领域显示出巨大的应用潜力。离子液体的特殊物化性能和提供的“离子反应环境”则有利于获得在其他合成条件下或媒介里很难或者无法得到的具有新颖结构或特殊形态的材料。基于此，本研究方向致力于利用离子液体辅助设计合成新型晶态硫属化物以及金属硫属化合物基复合材料，并开发其在光催化和电池方面的应用。方向负责人为胡倩倩副研究员。拟开展的工作包括以下三个方面：
（一）利用离子液体同时作为溶剂、反应物、模板剂和稳定剂，获得具有超大微孔、层状、一维或孤立超四面体簇结构的晶态硫属化物（Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11395；Chem. Sci. 2012, 3, 1200；Chem. Commun. 2013, 49, 181；Dalton Trans. 2018, 47, 5977；Chem Asian J. 2016, 11, 1555；Dalton Trans. 2016, 45, 9523；Dalton Trans. 2015, 44, 7364），开发所得化合物在光催化产氢或降解染料方向的应用（Chem. Eng. J. 2023, 451, 138670；Chem.-Eur. J. 2020, 26, 1624；Inorg. Chem. 2015, 54, 5874；Inorg. Chem. 2019, 58, 5126；Cryst. Growth Des. 2018, 18, 962；Dalton Trans. 2020, 49, 5020；ChemistrySelect 2022, 7, e202200585；ChemPlusChem 2020, 85, 2487（综述）；Catalysts 2023, 13, 1160）；
（二）通过简单的反应宏量制备含金属的离子液体前驱体，利用这类前驱体作为组装媒介及形貌调控剂制备金属硫属复合材料，应用于光催化以及锂、钠离子电池（Small 2023, 19, 2300534；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 40562；Electrochim. Acta. 2023, 439, 141671；J. Alloys Compd. 2023, 968, 171906；Nanoscale 2020, 12, 12336；Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900038；Sustain. Energ. Fuels 2019, 3, 701-708；Dalton Trans. 2023, 52, 1711-1719；Dalton Trans. 2021, 50, 16519-15627；RSC Adv. 2016, 6, 9835；J. Solid State Chem. 2021, 296, 122022；RSC Adv. 2021, 11, 33344；Materials 2023, 16, 2097）；
（三）利用离子液体对金属硫属化合物材料进行表面改性和修饰以提升其光催化或电池性能，并从其组成与结构、分子/原子间相互作用关系等方面，明晰其结构与性能之间的构效关系以及相应反应机理。
该研究方向目前/曾经由以下项目基金支持：国家重大研究计划培育项目（1项）、国家自然科学基金面上项目（4项）、国家自然科学基金青年项目（2项）、福建省自然科学基金面上项目（1项）、福建省自然科学基金青年项目（1项）等。
金属-有机框架（MOFs）基光电传感材料
金属-有机框架材料（MOFs）因其结构可设计性和在各领域的广泛应用前景，成为近二十年来的一类明星材料。课题组近些年来围绕发光MOFs和含金属卤化物基元的MOFs进行设计合成，并开发其在光、电传感领域的应用。方向负责人为吴兆锋副研究员。研究主要包括以下三个方面：
（一）发光MOFs设计合成及荧光传感性能研究：通过选择含特定生色团的有机配体与碱土等金属离子组装成发光MOFs，开发其对有机小分子、金属离子等荧光传感检测（Dalton Trans. 2024, 53, 706–714；J. Mater. Chem. C 2023, 11, 15841–15847, Hot paper；Materials 2023, 16, 577； J. Mater. Chem. C 2020, 8, 16784-16789, hot paper；J. Mater. Chem. C 2020, 8, 6820-6825；J. Mater. Chem. A 2014, 2, 6426；Chem. Sel. 2018, 3, 4884-4888；Inorg. Chem. 2017, 56, 7397；Dalton Trans. 2017, 46, 12597等）。
（二）白光发射MOFs结构设计和器件制备：采用含不同生色团有机配体与碱土金属离子直接组装构筑白光发射MOFs（Chem. Commun. 2015, 51, 157-160；J. Mater. Chem. C 2016, 4, 2438-2441等）和作为荧光粉制备白光LED器件（Chem. Sci. 2022, 13, 1375–1381；Chem. Eur. J. 2016, 22, 1334-1339等）。
目前上述两个研究方向已获得多项基金支持，包括国家自然科学基金青年项目、福建省自然科学基金面上及青年基金各一项，，并撰写综述两篇（Chinese J. Struct. Chem. 2020, 39, 2102-2114；Coord. Chem. Rev. 2019, 399, 213025）。
（三）含金属卤化物基元的MOFs设计合成及其电化学传感性能研究：根据结构化学原理，借助配位化学手段，选取碱金属、碱土金属离子与含N，P，S等杂原子的羧酸有机配体配位，利用金属-有机配位产生结构导向作用，将金属卤化物剪裁成簇、链、层的结构基元，通过限域组装获得含金属卤化物基元的MOFs，研究其在电化学气体传感上的应用。该方向是新近开展的研究课题，已得到国家自然科学基金面上项目、福建省闽都创新实验室主任基金项目的支持，发表了相关的学术论文（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 19293–19302）。
