近日，蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室王殳凹教授團隊聯合清華大學、美國科羅拉多礦業大學、德國於利希研究中心、上海科技大學等放射化學領域研究人員，從六價鋂的配位化學性質出發，設計了一例可精準匹配六價鋂配位構型的無機缺位多酸簇合物。該多酸簇合物通過與六價鋂離子間的強絡合作用形成水溶性納米級複合物，從而率先實現了水溶液中六價鋂的超長時間穩定。研究團隊據此發展了一種基於鑭錒物種尺寸差異的新型超濾分離方法（圖1），可潛在應用於我國乏燃料後處理、放射性污染控制、放射性同位素分離純化、放射化學診斷分析等系列重要任務中。該研究成果以「Ultrafiltration separation of Am(VI)-polyoxometalate from lanthanides」為題於2023年4月19日發表在Nature期刊上。

蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室副研究員張海龍、碩士研究生李奡以及博士後李凱為該論文工作的共同第一作者，蘇州大學王殳凹教授、王亞星教授、清華大學徐超副教授以及美國佛羅里達州立大學Thomas E. Albrecht-Schonzart教授為共同通訊作者。蘇州大學柴之芳院士在放射化學分離理論上給予了重要指導，清華大學胡憾石副教授團隊為本工作提供了理論計算支撐，上海科技大學曹克誠研究員團隊開展了電鏡數據採集和分析工作，德國亥姆霍茲國家研究中心聯合會尤利希研究中心Evgeny V. Alekseev研究員、北京布魯克公司張振義博士在晶體結構解析方面做出了貢獻。

研究背景

目前，能源短缺危機以及碳排放問題正讓世界各國重新審視核電發展的重要性。然而，作為核能可持續發展的前提，如何安全高效處理處置核燃料循環所產生的強放射性核廢料，仍是尚未解決的世界性難題。

研究表明，核廢料經過鈾鈽分離後對於環境危害最大的是次錒系元素鋂，其具有多個長半衰期放射性同位素（如鋂-241和鋂-243）。鋂是核能發電過程的副產物，也是核廢料長期放射毒性的主要來源。鋂的分離嬗變技術是目前最受認可的處置方式和研究熱點，其核心思想是將鋂進行高效分離並通過中子嬗變使其變為低毒性、短壽命的核素。此技術如能實現，將使得核能開發對人類社會帶來的負面效應大幅降低，因此對全球核電的可持續發展具有重要意義。

傳統的觀點認為鋂的化學性質與三價鑭系元素十分相似，而鑭系元素作為中子毒物又會顯著影響鋂的嬗變效率。因此，三價鑭錒分離既是目前核廢物處置中最具挑戰的科學問題之一，又是為解決核廢料長期放射毒性問題所要克服的一個重大技術瓶頸問題。如能將三價鋂氧化到六價，利用六價鋂與三價鑭系在配位構型上的差異實現分離，可有望從根本上解決鑭錒分離難題。然而，六價鋂屬於鋂的非常規價態，在傳統萃取分離過程中僅能存在數秒時間，極易被還原為三價，從而再次造成分離困難。此前，國際上未見可行性策略能夠穩定六價鋂從而實現有效的鑭錒分離。

研究進展

據悉，該放射化學聯合研究團隊首先利用光譜技術研究了六價錒系元素（鈾、錼、鈽、鋂）和三價鑭系元素銪與該多酸簇合物的作用機理（圖2）。結果表明在酸性溶液中，由於精準匹配缺位結合位點的存在，該多酸簇合物可與六價鋂發生極強的絡合作用，而與三價銪之間幾乎不發生相互作用。此外，該多酸簇合物對於六價鋂來說是一種具有「化學惰性」和「位阻效應」的保護性基團，能夠將酸性溶液中的六價鋂穩定超過24小時，從而為後續的分離過程提供了前提。為了可視化六價錒系元素與多酸簇合物間的相互作用，研究團隊製備了一系列六價錒系多酸納米複合物的單晶化合物，同時獲得了國際上首例穩定的六價鋂化合物的單晶結構。X射線單晶衍射分析表明六價鋂被完全封裝在預先設計的缺位結合位點中，進一步證實了缺位多酸簇合物對六價鋂的精準識別作用。

通過高分辨電子顯微鏡技術，研究團隊解析了六價錒系多酸納米複合物的單顆粒結構，與其單晶結構高度一致（圖3）。最後，利用鋂多酸納米複合物與水合鑭系離子之間的尺寸差異並結合商用超濾技術，發展了一種全新的鑭錒超濾分離方法，獲得了高達780的二元鑭錒單步分離因子和91%的單步鋂回收率（圖4）。這也是至今國際上報導的六價鋂和三價鑭系之間的最好分離效果。

此方法具有高效、安全、環境友好、快速且低能耗等系列優勢，具有良好的應用前景。

該工作得到了國家自然科學基金委、江蘇省科技廳、蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室等單位的資助。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05840-z

--蘇州大學