福建物构所在层状金属-有机框架去除Cs+离子研究中获进展

随着核能发展，与之相关的核废液处理处置问题已引起关注。¹³⁷Cs是核废料中常见的放射性元素之一，是一种高释热裂变核素，半衰期约为30.17年，是核废液中主要的γ射线源，对核废液的贮存和处置影响大。¹³⁷Cs⁺溶解度高、易迁移，其分离和去除易受干扰离子的影响，从复杂水溶液中高效捕获¹³⁷Cs⁺仍是严峻的挑战。

金属–有机框架因高度有序的多孔结构和可含有各种功能基团，在去除放射性核素方面受到关注。层状金属–有机框架具有更多的活性位点、丰富的堆积模式和可调节的层间距等优点，利于捕获Cs⁺离子。然而，将层状金属–有机框架用于Cs⁺的捕获仍然稀少。

中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室黄小荥课题组研究员冯美玲带领的放射性污染控制研究团队，在层状金属–有机框架去除水环境中Cs⁺离子研究方面取得进展。研究利用5-氨基间苯二甲酸和5-羟基间苯二甲酸，构筑了两例层状化合物[(CH₃)₂NH₂]In(L)₂×DMF×H₂O【1：H₂L= H₂aip（5-氨基间苯二甲酸）和2：H₂L= H₂hip（5-羟基间苯二甲酸）】。两例化合物均具有优异的耐酸碱和耐辐照性能，并对Cs⁺展现出快速的离子捕获能力和高吸附量（1：270.86 mg/g和2：297.67 mg/g）。在Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Sr²⁺竞争离子存在下，两例化合物对Cs⁺离子依然能够保持优异的选择性。特别是，在Sr/Cs摩尔比较宽的范围内，1和2能够实现Cs⁺-Sr²⁺分离，分离系数（SF_Cs/Sr）可达320。此外，吸附的Cs⁺离子可以通过一种成本低廉、环境友好的方法进行洗脱，实现回收Cs⁺离子和材料的再生利用。研究首次运用单晶结构分析手段，从微观尺度上精确地阐释了金属有机框架材料吸附–洗脱Cs⁺离子的机理。研究表明，两例化合物优异的捕获Cs⁺离子能力主要源于框架上COO^–官能团与Cs⁺离子之间的强相互作用、易于交换的[(CH₃)₂NH₂]⁺离子以及柔性而强健的阴离子层框架结构多种因素的协同作用。

该研究证实了层状金属–有机框架具有从复杂环境中高效回收Cs⁺的应用潜力，加深了关于材料结构与吸附放射性核素性能之间构效关系的理解，为设计应用于放射性污染处理的新型离子交换材料奠定了理论基础。相关研究成果发表在JACS上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省自然科学基金、中科院海西研究院融合发展基金项目等的支持。