1. 锕系元素配位聚合物
配位聚合物是以金属-配体间配位键为结构基础构筑的一类无机-有机杂环材料，在固体化学、材料化学等领域是研究热点之一。由于锕系元素的放射性及原料获得相对较难，目前关于配位聚合物的研究主要集中在过渡金属和稀土金属。然而， 锕系元素具有独特的5f电子结构、丰富的氧化态和复杂的配位模式，与过渡系、稀土金属所具有的3d/4f轨道具有显著不同的成键特点和功能性质，锕系元素配位聚合物具有极高的研究价值。
依托于核能放射化学实验室完备的材料合成及性质表征实验平台，在锕系元素配位聚合物合成及性质研究方面，课题组围绕着锕系-有机轮烷化合物(Rotaxane)、锕系MOF和锕系功能材料(Functional Materials)三个方面开展了大量的研究工作，每块研究自成体系、独具特色。经过多年的积累，取得一系列有显示度的科研成果，相关论文均发表在国际主流学术期刊上(Chem. Eur. J. 2017, 23, 18074 –18083；Chem. Eur. J. 2017, 23,13995-14003；Chem. Eur. J. 2017, 23(35), 8380-8384； Inorg. Chem. 2017, 56(14), 7694–7706；Inorg. Chem. 2017, 56,3227-3237； Chem. Eur. J. 2016, 22, 11329-11338；Chem. Commun. 2015, 51, 11990-11993. Chem. Commun. 2016, 52, 1641-1644；Inorg. Chem. 2015, 54,10934-10945； Chem. Eur. J. 2015, 21, 10226-10235；Chem. Commun. 2015, 51,8978-8981；Chem.Commun. 2014, 50, 3612-3615)。课题组还应邀在Bulletinof the Chemical Society of Japan上发表了题为”Ordered Entanglement in Actinide-Organic Coordination Polymers“的综述论文，较为系统地总结了课题组近年来在锕系缠绕结构构筑方面的系列工作( B. Chem. Soc. Jpn. 2018, doi:10.1246/bcsj.20170418)。
2. 纳米材料与锕系元素分离
设计构筑新型功能性有机无机杂化纳米材料，并将其用于U、Th、Pu等锕系元素的高效分离和富集。该类材料在海水提U、放射性废液处理以及环境污染修复等领域具有应用潜力。截止目前，课题组已针对如下四类材料展开系统深入研究：(1) 介孔硅材料。采用理论与实验相结合的手段设计新型功能化介孔硅材料，功能基团包括氨基、磷酸酯、咪唑及邻菲罗啉二酰胺等；系统研究这些材料对U(VI)，Th(IV)等锕系离子的吸附分离行为，并利用同步辐射技术结合先进谱学手段深入研究表面配位结构与吸附机理。(2) MOFs & COFs。设计新型功能化MOFs & COFs及其复合物；研究其对U(VI)，Th(IV)，Pu(IV)等锕系离子的高效高选择性分离；深入挖掘影响MOFs & COFs吸附能力的关键因素；着力解决高酸度下吸附效率低和材料水热稳定性差等关键科学问题。(3) 氧化石墨烯(GO)。构筑石墨烯复合材料；研究石墨烯及其复合物对U(VI)，Th(IV)等锕系离子的分离与富集，同时利用光电催化手段研究复合材料对U(VI)的还原固定。(4) 二维片层MXene。通过插层等活化手段提高MXene材料对U(VI)等锕系离子的吸附能力；研究材料对U(VI)等的封装和还原固定，同时构筑MXene复合材料，提高应用针对性。
磷酸酯基功能化介孔硅对U(VI)的高效去除(左)及氨基磷酸酯基双官能团化介孔硅对Th(IV)的协同吸附(右)。
缺陷(左)及金属节点(右)对MOFs吸附U(VI)的影响。
Fe/GO复合物(左)及TiO2/GO/Fe3O4复合物对U(VI)的还原固定。
V2CTx 型MXene对U(VI)的吸附及与机理。
3. 乏燃料干法后处理基础研究
干法后处理，一般是以高温熔盐作为溶剂，将锕系元素与其他裂片元素进行分离的过程，其主要的分离步骤是在高温下进行，因此又称为高温化学分离过程。课题组从2011年开始开展乏燃料干法后处理相关的基础研究，搭建了国内一流的高温熔盐电化学平台与高温原位光谱实验平台，主要进行锕-镧元素在熔盐中电化学分离及分离过程中各元素的配位化学研究。
锕-镧电化学分离是利用锕系元素与镧系元素在电极上的沉积电位不同，控制电极电位使锕系元素在电极上沉积而镧系元素仍然留在熔盐中，从而实现分离。课题组近年来系统研究锕、镧元素在各种活性阴极（Al，Ga，Zn，Bi等）上的电化学行为，得到了Th、U与镧系元素在Al、Zn电极上的沉积电位序。通过比较发现在活性Al阴极上锕系元素与镧系元素的沉积电位差最大，具有优异的锕-镧分离性能。进一步开展了Th、U与镧系元素在Al阴极上的分离工作，在Th、U提取率大于95%的前提下，Th/Ln及U/Ln的分离因子均大于1000，该分离因子与传统电精炼流程的An/Ln分离因子（<50）相比，至少提升了1个数量级。相关工作近五年来在电化学领域著名期刊Electrochim. Acta和J. Electrochem. Soc.上共发表论文24篇。
在前期熔盐电解锕-镧分离研究的基础上，为了更深入地理解熔盐电解干法后处理过程，近来课题组进一步开展了高温熔盐体系中锕系元素及镧系元素的配位化学性质研究，包括锕镧元素的氧化态、电子结构、在熔盐中的配位构型及电化学过程中不同化学种态之间的相互转换等。由于锕系元素的放射性、高温熔盐的腐蚀性、放射性高温熔盐体系操作的复杂性等，此研究极具挑战。实验室在多次实验，克服上述困难后，初步搭建了高温熔盐原位同步辐射测量（处于国际先进水平）及拉曼光谱测量装置，并得到了重要结果。
4. 锕系计算化学
锕系元素是核电生产中的关键元素，存在于核燃料循环的各个环节。为了掌握核燃料的材料性能，开发新型核燃料，有必要深入研究U、Th、Pu等锕系元素的氧化物、氮化物固体材料，掌握其电子结构、光谱特征、导热性能、磁性、高温相变过程等基本物化性质，模拟极端条件下材料的自缺陷形成机制，考察裂变元素在晶格内的扩散行为及对材料力学性能的影响。在表面防护方面，迫切需要深入地了解核燃料在环境中的表面腐蚀机理，分析环境中小分子与材料表面的界面氧化还原过程。由于5f电子的独特成键性质，分子化合物中锕系多重键的本质和性质也是近年来国际上的研究热点之一，相关研究将有助于锕系化学键理论的发展和完善。为了充分利用乏燃料中锕系元素资源，溶剂萃取法在当前的后处理流程中占主导地位。为了实现锕系元素的选择性萃取、次锕系元素与镧系元素的高效分离，迫切需要改进和开发新型萃取分离配体，而对固相萃取材料的开发当前也备受关注。由于锕系元素的化学毒性和辐射危害较大，开展实验研究受到诸多实际条件限制，且费用昂贵，计算化学现已成为研究锕系元素体系的有效补偿手段。通过理论计算能够辅助解释复杂实验现象，在从分子水平上理解锕系元素体系的结构和性质，有效避免实验的盲目性，降低实验成本。锕系元素位于元素周期表第七周期，与过渡金属元素和镧系元素相比，其原子具有未充满的5f和6d电子，同时，相对论效应（包括标量相对论效应、旋轨耦合效应）和强电子相关效应对其价电子运动具有不可忽略的影响，导致它们的原子和化合物的电子结构十分复杂。因此，锕系元素计算化学对理论方法和计算条件要求相对较高。近年来，高性能并行集群计算机的出现以及计算化学理论方法的发展为锕系计算化学的发展提供了契机。
5. 锕系材料化学相关同步辐射技术
锕系元素具有独特的5f电子结构、丰富的氧化态和复杂的配位模式，深入研究锕系材料的物理化学性质对解决核能科学中的重大挑战非常关键。但是，由于锕系元素的放射毒性和化学毒性，目前研究锕系材料的化学性质、种态分布和微观结构等方面仍面临诸多实验技术的挑战。同步辐射具有亮度高、高准直、频谱宽、连续可调等特点，近年来已成为材料科学研究的强有力工具。通过先进X-射线谱学等技术手段多尺度地获取锕系元素成键、配位和微区分布等信息，可以大大拓展人们对于锕系元素物理化学性质的理解，为锕系元素在材料科学和核能科学中的应用奠定坚实的技术基础。
依托北京同步辐射装置（BSRF），核能放射化学实验室利用X射线吸收精细结构(XAFS)、X射线单晶衍射(XRD)以及X射线小角散射(SAXS)等技术开展了大量锕系材料化学基础研究工作，取得一系列有显示度的科研成果，相关论文均发表在国际主流学术期刊上(J. Mater.Chem. 2012, 22, 17019-17026; Chem. Commun. 2014, 50, 3612-3615; ACS Appl. Mater.Interfaces. 2014, 6, 4786-4796; Chem. Eur. J. 2015, 21, 10226-10235; J. Hazard.Mater. 2015, 290, 26-33; ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016, 8, 16396-16403; Chem.Eur. J. 2017, 23, 8380-8384; Environ. Sci &Technol. 2017, 51, 5666-5674.)。经过多年的积累，核能放射化学实验室2014年在Advanced Materials上发表了利用同步辐射技术研究锕系材料的综述论文，该文系统总结了利用同步辐射技术研究锕系元素材料的最新进展(Adv. Mater. 2014,26, 7807-7848.)，这也是该刊历史上第一篇关于锕系元素研究的综述文章。
