隨著核能發展，與之相關的核廢液處理處置問題已引起廣泛關注。137Cs是核廢料中常見的放射性元素之一。它是一種高釋熱裂變核素，半衰期約為30.17年，是核廢液中主要的γ射線源，對核廢液的貯存和處置影響大。137Cs+溶解度高、易遷移，其分離和去除易受干擾離子的影響，從複雜水溶液中高效捕獲137Cs+仍然是一個嚴峻的挑戰。
金屬-有機框架由於其高度有序的多孔結構和可含有各種功能基團，在去除放射性核素方面受到了關注。層狀金屬-有機框架具有更多的活性位點、豐富的堆積模式和可調節的層間距等優點，有利於捕獲Cs+離子。然而，將層狀金屬-有機框架用於Cs+的捕獲仍然是十分稀少。
在國家級支持人才項目、國家自然科學基金面上、福建省「雛鷹計劃」青年拔尖人才、福建省自然科學基金傑青和面上、中國科學院海西研究院融合發展基金等項目的支持下，福建物構所結構化學國家重點實驗室黃小滎課題組馮美玲研究員領導的放射性污染控制研究團隊在層狀金屬-有機框架去除水環境中Cs+離子方面取得研究進展。他們利用5-氨基間苯二甲酸和5-羥基間苯二甲酸構築了兩例層狀化合物[(CH3)2NH2]In(L)2×DMF×H2O（1：H2L= H2aip（5-氨基間苯二甲酸）和2：H2L= H2hip（5-羥基間苯二甲酸））。兩例化合物均具有優異的耐酸鹼和耐輻照性能，並對Cs+展現出快速的離子捕獲能力和高吸附量（1：270.86 mg/g和2：297.67 mg/g）。在Na+、K+、Mg2+、Ca2+和Sr2+競爭離子存在下，兩例化合物對Cs+離子依然能夠保持優異的選擇性。特別是，在Sr/Cs摩爾比較寬的範圍內，1和2能夠實現Cs+-Sr2+分離，分離係數（SFCs/Sr）可達320。此外，吸附的Cs+離子可以通過一種成本低廉、環境友好的方法進行洗脫，實現回收Cs+離子和材料的再生利用。更有意義的是，他們首次通過單晶結構分析手段從微觀尺度上精確地闡釋了金屬有機框架材料吸附-洗脫Cs+離子的機理。研究表明，兩例化合物優異的捕獲Cs+離子能力主要源於框架上COO-官能團與Cs+離子之間的強相互作用、易於交換的[(CH3)2NH2]+離子以及柔性而強健的陰離子層框架結構多種因素的協同作用。
層狀金屬-有機框架對Cs+離子的吸附-洗脫過程機理研究
這項工作不僅證實了層狀金屬-有機框架具有從複雜環境中高效回收Cs+的應用潛力，而且加深了人們對材料結構與吸附放射性核素性能之間構效關係的理解，為設計應用於放射性污染處理的新型離子交換材料提供理論基礎。相關研究結果發表在JACS Au.2022, 10.1021/jacsau.1c00533上，文章第一作者為物構所博士後馬文，馮美玲研究員為通訊作者。
來源：福建物構所
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.1c00533