耐辐照金属硫化物离子交换材料可高效去除放射性离子

核能作为一种高效、清洁的新型能源，其开发利用越来越受到人们的青睐。但核能的发展更像是一把双刃剑，人们在享受核能带来的福利的同时，也面临着放射性核燃料和裂变产物引起潜在环境污染的风险。在放射性核废液中，铀（U）是高毒性的放射性核素，具有致癌性。在非锕系高释热裂变产物中，最危险的是铯（¹³⁷Cs）和锶（⁹⁰Sr），其半衰期较长（¹³⁷Cs，t_1/2≈ 30年；⁹⁰Sr，t_1/2 ≈ 29年），是核废液中β 和γ 射线的主要放射源，构成了高放废物处置前1000年最主要的释热危害，且具有生物毒性。放射性铀、铯和锶等核素的有效富集、去除和回收对人类健康、环境保护和能源循环利用都具有十分重要的意义。

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的黄小荥研究员（点击查看介绍）和冯美玲研究员（点击查看介绍）领导的研究团队长期致力于开发稳定性好、对放射性离子具有高效去除和富集能力的新型离子交换剂，在系列新型离子交换材料的设计合成、性能提升以及机理阐释方面已发表了一系列具有重要影响力的研究论文（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 4314；J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12578；Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 8623；J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 3967；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 5665）。

近日，该团队与美国西北大学化学系的Mercouri G. Kanatzidis教授（点击查看介绍）合作，在环境放射性污染防治方面的研究取得新进展，报道了两例分别含有质子化二甲胺和二乙胺阳离子的硫代锑酸镓化合物[Me₂NH₂]₂[Ga₂Sb₂S₇]•H₂O（FJSM-GAS-1）和[Et₂NH₂]₂[Ga₂Sb₂S₇]•H₂O（FJSM-GAS-2）。两种化合物具有相似的无机层结构，但因层间有机阳离子的不同，其离子交换性能有所差别。该研究进一步证实了在金属硫化物离子交换材料体系中，有机铵阳离子的类型、形状、大小对材料的离子交换性能具有重要的影响，为进一步设计合成新型放射性离子交换材料提供了有力的借鉴和思路。所报道的化合物对[UO₂]²⁺、Cs⁺、Sr²⁺离子具有较高的离子交换容量（FJSM-GAS-1: q_m^U = 196 mg/g, q_m^Cs = 164 mg/g, q_m^Sr = 80 mg/g; FJSM-GAS-2: q_m^U = 144 mg/g）和快的交换动力学（FJSM-GAS-1: 5 min; FJSM-GAS-2: 15 min）；在广谱的pH（2.9 – 10.5）范围内对[UO₂]²⁺离子具有离子交换能力。特别是即使在Na⁺、Ca²⁺、HCO₃^-干扰离子的存在下，化合物仍然对[UO₂]²⁺离子具有优异的选择性，分配系数K_d^U值最高可达6.06 × 106 mL/g，是迄今铀吸附剂中的最高值。更为重要的是，吸附的[UO₂]²⁺离子能够通过简单、便宜的方法将其洗脱，达到回收铀的目的。这些优势结合化合物易于合成和优良的耐β、γ 射线辐照性的特点，使FJSM-GAS-1、FJSM-GAS-2在[UO₂]²⁺、Cs⁺、Sr²⁺离子的吸附和分离方面具有潜在的应用价值。当前的研究为开发新型放射性离子交换剂提供了有力的借鉴，对放射性污染防治和核应急处理等研究具有重要意义。相关研究结果近期发表在《美国化学会志》上，第一作者为冯美玲研究员。

该研究工作得到中国科技部973项目、国家自然科学基金、中科院海西研究院“春苗人才”专项和美国国家自然科学基金的大力支持。

该论文作者为：Mei-Ling Feng, Debajit Sarma, Yu-Jie Gao, Xing-Hui Qi, Wei-An Li, Xiao-Ying Huang, Mercouri G. Kanatzidis

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Efficient Removal of [UO₂]²⁺, Cs⁺ and Sr²⁺ Ions by Radiation-Resistant Gallium Thioantimonates

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11133, DOI: 10.1021/jacs.8b07457

冯美玲研究员简介

冯美玲，中国科学院福建物质结构研究所研究员，2007年于中国科学院福建物质结构研究所获博士学位，之后留所工作至今，2015-2016年在美国西北大学化学系做访问学者；研究领域是面向环境放射性污染防治开发新型离子交换材料，将之应用于环境中放射性污染离子的去除和富集；在相关领域已发表SCI论文70余篇，包括以第一作者/通讯作者发表的J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等，获授权发明专利3件；曾获中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院青年创新促进会会员、第四届福建省直机关五四青年奖章标兵、第三届福州青年科技奖等荣誉。

黄小荥

http://www.x-mol.com/university/faculty/22940

冯美玲

http://www.x-mol.com/university/faculty/26704

Mercouri G. Kanatzidis

http://www.x-mol.com/university/faculty/381