锕系元素分离取得新进展

锕系元素的高效分离是铀矿冶炼、乏燃料后处理、含锕废液处理、核取证和核应急等重大需求的关键环节和难点之一。以大体积高放射性含锕废液的处理为例，有效回收铀钚元素、合理固化具有强放射性和高化学毒性的次锕系元素，对控制锕系物种的环境迁移、对含锕废物进行安全地质处置和实现核不扩散十分重要。然而，发展兼具高分离选择性、优良物化稳定性的锕系分离材料或高效分离技术仍具挑战性。

二所205室锕系元素组聚焦于由强Lewis酸碱对结合而成的、具有丰富多孔结构的高价金属-膦酸框架材料(MPFs)，在此类材料的合成、锕系吸附性能、酸解稳定性以及辐射效应等方面开展了大量的研究工作(Chem Eng J, 2016,302:368; J Chromatogr A, 2017,1504:35-45; Nanomaterials, 2018,8:166; Chem Eng J, 2019,355: 159; Chem Eng J, 2022,430:132753)，确认了其在中高酸度下、强辐射场中的高稳定性，以及优异的锕系吸附性能。

然而，合成的高价金属-膦酸框架材料均为微米甚至纳米级的粉体，虽然可以在实验室中实现对锕系元素的静态吸附，但由于粉体的水力学性能差，在实际应用中，存在极易堵塞管道、易于流失、后续回收处理较为麻烦等关键问题，难以实现动态、连续的分离操作。为了解决此问题，课题组采用静电纺丝技术，将烷基膦酸铪(HfP)粉体与聚丙烯腈(PAN)复合，制备成聚丙烯腈/膦酸铪纳米纤维膜(PAN/HfP NFM)。该复合膜具有丰富的多孔结构和较高的比表面积、突出的亲水性和渗透性能、良好的拉伸性能和优异的耐酸性，对Th(IV)、U(VI)及示踪量超铀核素²³⁹Pu、²³⁷Np显示出优异的吸附性能，并且具备很快的渗透速率和可观的穿透体积(在785±11.2 L·m^-2·h^-1的渗透速率下，对μg/L量级的Th(IV)、U(VI)溶液的穿透体积分别达到880 mL和760 mL)，可从升量级的含锕废液中快速连续捕获锕系元素，使其浓度满足排放限值要求。该工作有效解决了粉体吸附剂在实际应用中面临的诸多关键问题，为推动此类材料的实用化迈出了至关重要的一步。

聚丙烯腈/膦酸铪纳米纤维膜的微观形貌、静态吸附分离因子、超铀核素吸附效果和动态吸附穿透曲线不同于上述基于MPFs的固相吸附分离模式，选择性结晶分离技术是利用合成化学的手段回收次常量级及以上的目标锕系元素，具有原子经济性、环境友好性和产物可控性的优势。锕系金属-有机框架(An-MOFs)是一类由有机配体连接多种类高价态的锕系金属离子构筑的，具备丰富的结构特性和后合成修饰性、复杂电子性质和独特反应活性的多孔结晶配位聚合物。基于An-MOFs的选择性结晶是在溶剂热合成体系中集合金属-配体络合反应常数及结晶产物溶解度的差异实现目标元素分离，具有多元合成的可调控性及优异的选择性分离性质。课题组利用一种简单的双功能有机配体从二元模拟液中选择性结晶分离钍离子。该结晶产物经受MGy量级的β、γ辐照且具有良好的化学稳定性，可用作初级锕系废物固化体。该研究工作表明An-MOFs是一类理想的选择性结晶分离锕系元素的结构平台，为建立绿色高效的次常量锕系分离方法奠定了良好的基础。

从模拟高放废液中选择性结晶合成锕系金属-有机框架并用作含锕固化体的概念路线

近期，以上研究成果分别发表于环境工程、材料科学领域的高水平学术期刊，有力推动了锕系分离材料及分离技术的发展。

附文章信息：(1) Stable and high-flux polyacrylonitrile/hafnium phosphonate nanofibrous membranes for efficient removal of actinides from strong acidic solutions, Journal of Environmental Chemical Engineering, 2023,11,109619. DOI: 10.1016/j.jece.2023.109619(IF=7.97)

(2) Selective crystallization of a highly radiation-resistant isonicotinic acid-based metal-organic framework as a primary actinide waste form, ACS Materials Lett. 2023,5,536-542. DOI: 10.1021/acsmaterialslett.2c01087(IF=11.1)