黄小荥课题组：耐酸碱耐辐照钒酸盐离子交换材料高选择性富集镧系元素研究获进展

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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研究员黄小荥领导的课题组在研究员冯美玲主持的国家自然科学基金面上项目、中科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、福建省自然科学基金面上项目等的资助下，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）；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，他们在高选择性富集镧系元素方面的研究取得新进展，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能力。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。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镧系元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。该工作为新型镧系金属离子交换剂的研发和去污机理的研究提供了参考，为镧系元素污染的治理和资源的回收利用研究提供了新思路。
　　相关研究结果以全文形式发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 1878-1883）上，第一作者为福建物构所和福建师范大学联合培养硕士研究生孙海燕，唯一通讯作者为冯美玲。
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        文章来源：福建物构所
        黄小荥，男，1969年生，博士，研究员，博士生导师。1990年7月大学本科毕业于厦门大学化学系，获理学学士学位；1994年至1998年为中国科学院福建物质结构研究所在职硕士生，导师卢绍芳研究员；2001年9月起在美国新泽西州州立罗格斯（Rutgers）大学攻读博士学位，专业无机化学，导师李静教授，2006年1月获博士学位；2006年1月至10月，在同一学校做博士后。
       冯美玲，女，1980年生，博士，研究员，博士生导师。2002年7月大学本科毕业于内蒙古师范大学，获理学学士学位；2007年7月博士毕业于中国科学院福建物质结构研究所，导师毛江高研究员；2007.7-2009.12中科院福建物质结构研究所纳米材料研究室黄小荥课题组任助理研究员；2009年12月晋升副研究员；2017年1月晋升研究员。2015.11-2016.8在美国西北大学Prof. Mercouri G. Kanatzidis小组进行访问研究。研究方向是面向国家重大环保问题战略需求，从事新型无机离子交换材料的制备和性能研究，旨在开发能够有效去除Cs+、Sr2+等离子，且具有良好的酸碱稳定性、高吸附量和高选择性的新型离子交换材料。目前已发表SCI论文60余篇，论文被他人引用达589次。申请国内发明专利5项（授权2项）。其中以第一作者和唯一通讯联系人发表一区论文J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Mater. Chem. A各一篇。目前主持国家自然科学基金面上项目1项、中科院海西研究院“春苗”青年人才专项1项。已结题项目（主持）：国家自然科学基金青年科学基金项目1项、中科院青年创新促进会专项基金1项、福建省自然科学基金面上项目1项、福建省青年人才项目1项。参与国家自然科学基金重点项目、面上项目和科技部“973”计划子课题等项目。