翟茂林和石伟群课题组合作在共价有机框架材料的放射性核素分离研究中取得重要进展

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共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）材料是一类具有二维或三维延伸结构、周期性和结晶性的多孔有机聚合物，其结构单元通过强共价键连接。因其结构的多样性、永久的多孔性和优异的稳定性，这类材料在能源、催化、分离等领域均有着重要的应用前景。99Tc是一种半衰期长、毒性大的放射性核素，在水溶液中以TcO4−形式存在。在乏燃料后处理和核环境修复等领域，设计合成具有优异TcO4−捕获性能的阴离子分离材料仍然是一个重大挑战。
       近期，北京大学化学与分子工程学院翟茂林教授课题组和中国科学院高能物理研究所石伟群课题组合作通过γ射线辐射接枝策略制备了一种咪唑溴盐修饰的COFs材料。通过优化辐射接枝反应条件，成功实现了COFs孔道内咪唑溴盐接枝链的调控，合成的材料对TcO4−及其模拟物ReO4−具有快速的分离动力学（平衡时间2 min）、优异的吸附能力(吸附容量952 mg/g) 和良好选择性。利用EXAFS并结合理论计算等方法，揭示了ReO4−在接枝修饰COFs材料中的阴离子交换吸附机理。

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图1  咪唑溴盐接枝修饰的COFs合成及动态柱实验示意图

       更为重要的是，制备的COFs材料所具有的高孔隙率和超稳定的纳米纤维状结构，使其成为ReO4−/TcO4−动态柱实验的理想填料。实验结果表明，经过4个吸附−解吸循环后，去除率仍高达99.98%，回收率均大于91%，显示出优异的分离性能。本工作是COFs材料应用于动态吸附柱实验的首例报道，展现了COFs材料在乏燃料后处理和核环境修复中的巨大潜力，并为其产业化应用提供了重要理论和实验依据。

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图2  ReO4−/TcO4−动态柱实验洗脱曲线、去除率及回收率

         该研究工作以“Radiation Controllable Synthesis of Robust Covalent Organic Framework Conjugates for Efficient Dynamic Column Extraction of 99TcO4−”为题在Cell Press子刊Chem期刊发表（DOI: 10.1016/j.chempr.2020.08.005），在线链接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(20)30415-0。北京大学化学与分子工程学院博士研究生王月为该论文第一作者，北京大学化学与分子工程学院翟茂林教授、中国科学院高能物理研究所石伟群研究员和袁立永青年研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会的资助。


       文章来源：北京大学
       翟茂林，北京大学教授，博士生导师。1999年获得北京大学理学博士学位，2008-2009年，日本原子能研究机构特聘研究员(JAEA Fellow)。主讲课程：化学工程基础（本），高分子辐射化学（研）。研究领域为：天然高分子/生物高分子材料的功能化改性；聚合物质子/离子交换膜的合成及应用；特种性能高分子凝胶材料的合成、特异性溶胀行为研究；离子液体的辐射效应及其相关化学反应研究。
        石伟群，2007年1月在清华大学取得博士学位，现任中国科学院高能物理研究所研究员，课题组长，博士生导师，长期从事核燃料循环化学与锕系元素化学相关基础研究，在Nat.Commun、CCS Chem.、Adv.Mater.、Environ.Sci.Technol. 、Chem. Commun.等国际知名期刊发表SCI 论文200余篇，成果被国内外同行广泛关注和引用，他引5000余次，H因子40（Google Scholar）。获2019年国家杰出青年科学基金资助。同时担任SCI期刊《Journal of Nuclear Science and Technology》的国际顾问编委和中文期刊《核化学与放射化学》编委。现为中国核学会核化学与放射化学分会及中国核学会锕系物理与化学分会常务理事、中国有色金属学会熔盐化学与技术专业委员会副主任委员。中国有色金属学会熔盐化学与技术专业委员会副主任。