黄小荥课题组：强酸性条件下选择性捕获铯离子研究取得新进展

chandler

铯（137Cs）是乏燃料中的主要裂变产物之一，放射性强、释热量大且半衰期较长，对核废物的贮存和处置影响大，一旦泄露到环境中将严重威胁生态环境和人类健康。从复杂溶液中快速有效捕获放射性Cs+离子对环境保护、人类健康和核能的可持续发展具有重要意义。高放废液常呈强酸性，环境体系非常复杂，含盐量高，为Cs+离子的选择性分离带来诸多困难。离子交换法去除铯因其具有便捷、高效、成本低、二次污染少等优势受到了广泛关注。然而，由于现有离子交换材料的稳定性问题和酸性环境中质子的强烈竞争，从酸性溶液中高选择性地捕获Cs+离子仍然具有极大的挑战性。

高稳定层状金属硫化物KInSnS4强酸性条件下高选择性捕获Cs+离子研究

         在国家级支持人才项目、国家自然科学基金面上、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省自然科学基金杰青和面上、中科院海西研究院融合发展基金等项目的支持下，福建物构所结构化学国家重点实验室黄小荥课题组冯美玲研究员领导的放射性污染控制研究小组在强酸性条件下高选择性捕获Cs+离子方面取得重要进展。他们制备了一例高稳定（耐强酸、耐辐照）的K+导向的层状金属硫化物KInSnS4（InSnS-1），实现了对Cs+的快速高效捕获。其在中性溶液中具有快速捕获Cs+离子的动力学（teCs≤ 5 min，RCs≥90%）和高吸附量（qmCs = 316 mg/g），吸附量高于大多数Cs+离子交换剂。
          值得注意的是，在强酸条件下，目前能捕获Cs+的材料十分有限，集中于磷钼酸铵和杯芳烃冠醚及其复合材料，而InSnS-1在强酸条件下高选择性捕获Cs+取得了突破，在1mol/L HNO3溶液中仍然可以有效地捕获Cs+离子（qmCs = 98.6 mg/g），且在4 mol/L的HNO3溶液中仍然可以保持其层状结构，这是首次实现高稳定硫化物框架用于强酸性溶液中Cs+捕获。即使在高浓度的竞争性Mnn+离子（Mnn+ = Na+、Sr2+、Ca2+和La3+）存在下，InSnS-1对Cs+离子仍然表现出优异的选择性，且在强酸性溶液（1和3mol/L HNO3）中具有高分离系数SFCs/M。这项工作首次利用系统的选择性实验揭示了H3O+离子对离子交换材料选择性捕获Cs+的影响。研究表明酸度的增加导致其对Mn+离子的去除率比Cs+的捕获率有更大的衰减，这是因为H3O+离子对竞争离子有更强的排斥力以及软碱性S2-和相对软酸性Cs+之间有更强的作用力。进一步地该材料还可以作为离子交换柱的固定相，从含有高浓度Cs+的中性和酸性溶液中有效去除Cs+，处理量分别达到1300（C0Cs = 190.13 mg/L，中性溶液）和650（C0Cs = 84.25 mg/L，1 mol/L HNO3）床体积。这些优异特性表明InSnS-1在放射性铯修复领域具有潜在的应用前景。
         重要的是，他们通过单晶结构分析首次清晰、直观地显示了Cs+和H3O+分别或同时进入了化合物层之间，并在分子水平上阐明了酸性溶液中选择性捕获Cs+的机制。通过结构-性能分析，初步揭示了K+导向金属硫化物离子交换性能的一般规律。这是一项系统性研究金属硫化物在强酸条件下选择性捕获Cs+的开创性工作。相关研究结果发表在Nat. Commun.上（Nat. Commun.2022, 13, https://doi.org/10.1038/s41467-022-28217-8）。该文第一作者为国科大博士生唐俊豪同学。
         此前，冯美玲研究员领导的研究小组已在高选择性捕获和分离关键核素方面取得一系列研究成果（Chem. Eng. J.2022, 429, 132474; Chem. Eng. J.2021, 420, 127613; ACS Appl. Mater. Interfaces2021, 13, 10191-10201; Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59,1878-1883; Chem. Mater.2020, 32, 1957-1963; ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 26222-26231; J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 11133-11140; J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 4314-4317; J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 12578-12585）。


         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。