苏州大学研究生，苏州大学研究生院
金属氧化物笼处理核废料
核能在实现节能减排中具有关键作用，但广泛使用民用核反应堆的一个问题是需要找到一个处理放射性核废料的方法。废弃的燃料棒可以处理回收铀和钚，但废料中的其他元素在数千年内仍然具有放射性。
核反应堆中的裂变反应使铀原子分裂以释放能量，但也会产生较轻元素组成的各种产物。其中，镧系元素由于会捕获中子阻碍核反应从而不能被回收。典型的民用核燃料中每吨铀产生约10-20公斤的镧系元素和0.5-2.0公斤的镅。
如果能从这些复杂的核废料中分离出镅（Am），不仅可回收用于下一代反应堆，还可以避免镅的几种同位素带来的毒性和长期放射性，从而大大降低了核废物的长期毒性，并有利于其储存。
基于这一挑战，苏州大学王殳凹教授、王亚星副教授，科罗拉多矿业学院Thomas E. Albrecht-Schönzart教授和清华大学徐超副教授团队合作，使用了一种水溶性的金属氧化物笼，即多金属氧酸盐（POM），从核废料的镧系元素中分离出镅（Am），该Am(VI)-POM 是迄今为止水介质中观察到的最稳定的Am(VI)络合物。通过结合市售纳米分离膜，开发出一种高效快速、不涉及任何有机物的镅分离策略，从而提高核工业的效率和安全性。相关成果以“Ultrafiltration separation of Am(VI)-polyoxometalate from lanthanides”发表于最新一期Nature。
目前从镧系裂变产物中分离镅的各种工艺，大多数是基于溶剂萃取，同时利用水溶液配体或溶剂成分对三价镅和镧的化学亲和力的微小差异。然而，由于镧系元素和镅具有相同的主要氧化态（三价阳离子）和几乎相同的离子半径，这些分离方法的效率相对较低。
研究人员利用了一个从镧系元素中分离镅的新策略，即改变其元素价态，将镅氧化到四价氧化态。镧系元素无法达到这个价态，但锕系的某些元素可以达到，包括铀、镎、钚和镅。锕系元素的四价氧化态通过形成络合物而稳定，化学性质与镧系元素区别较大，可以利用这一特点作为分离技术的基础。
研究人员使用硒钨酸盐，它作为一种多金属氧酸盐POM，可以选择性地与镅离子结合，而忽略三价镧系元素；这种POM不包含任何可以将AmO 2 2+转化为Am 3+的有机物。之前已有研究证明其他POMs可以稳定锕系元素离子，但是在水溶液中形成长期稳定的镅离子POM络合物是前所未有的。
从镧系元素中分离镅示意图
研究人员获得了AmO 2 2+-POM络合物的X射线晶体结构。事实上，能够获得这种晶体结构已经说明了AmO 2 2+-POM络合物的稳定性。
实验中使用的POM具有一个外径约为2纳米的甜甜圈状笼子的结构，排在甜甜圈孔中的原子表现出晶体学上的无序性。
然而，当研究人员将镅离子加入到含有POM的溶液中，并对所产生的络合物进行表征时，X射线数据显示，POM笼孔周围的钨和氧原子，形成一个具有完美几何形状的口袋来捕获该离子。
Am-POM 结构及其单晶吸收光谱
研究人员发现，一旦镅离子被锁定在POM笼中，所产生的络合物可以使用超滤技术从水溶液中的镧离子中进行物理分离。大型POM络合物不能通过过滤膜的孔隙，而镧系离子由于没有被POM捕获从而可以通过。
实验结果表明，控制 POM 团簇中的空隙结构可以实现 Am(VI) 在水溶液中前所未有的络合和稳定，从而形成一种新的分离策略，这种策略具有高效、不含有机物成分、成本低等优点，为在核废料后处理过程中从裂变产物中分离锕系元素开辟了新方法。
使用 POM 作为络合剂通过氧化、络合和超滤分离 Am
作者简介
王殳凹教授，苏州大学放射医学与防护学院副院长、放射医学与辐射防护国家重点实验室核能环境化学研究中心主任、教育部长江学者特聘教授、基金委杰出青年基金及优秀青年基金获得者。1985年出生，2007年在中国科学技术大学获理学学士学位，2012年在美国圣母大学获得博士学位，2012-2013年在美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校开展博士后研究。现从事面向我国核能可持续发展及核安全重大需求的放射化学与辐射化学研究，为我国乏燃料后处理、高放废物地质处置、核事故应急等重要任务提供了新思路。独立建组开展工作以来近五年作为通讯作者在Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等国际期刊上发表论文200余篇，总引用一万余次。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05840-z
来源：高分子科学前沿
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