清華大學Nature：超濾分離Am（VI）多金屬氧酸鹽與鑭系元素

一、 【導讀】?

? ? ? ? 镅是核能發電的中子捕獲副產品，也是高放廢物長期放射性毒性的主要來源。高效回收镅，然后利用快堆嬗變為短壽命或穩定的核素，將大大減少核能對環境的影響。然而，共存的鑭系元素（Ln）與镅都以熱力學穩定的三價陽離子存在于溶液中，其具有幾乎相同的離子半徑、配位化學和相似的化學行為。一種提出的用于減輕這種分離挑戰的方法是將Am（III）氧化成Am（V）和Am（VI）⁶的較高氧化態。原則上，這導致镅和鑭系元素之間的更好區分以及隨后分離效率的增加。事實上，傳統上認為Am（VI）和Am（V）在水溶液中不穩定，因為它們甚至可以被活性輻解產物有效地還原，因為與核燃料循環相關的兩種常見镅同位素（241 Am和243 Am）都具有相當大的放射性。因此開發一種有效分離策略，使镅和鑭系元素之間有效分離，幾十年來一直是核工業中的挑戰。

二、【成果掠影】

? ? ? ? ?镅（Am）與使用過的核燃料中存在的鑭系元素（Ln）的分離在核能的可持續發展中起著關鍵作用。由于熱力學穩定的Am（III）和Ln（III）離子具有幾乎相同的離子半徑和配位化學，因此該任務極其挑戰性。Am（III）氧化為Am（VI）產生與Ln（III）離子不同的AmO₂²⁺離子，能夠促進分離。然而，Am（VI）通過傳統分離方案（包括溶劑和固體萃取）所需的輻解產物和有機試劑快速還原回Am（III）阻礙了實際的基于氧化還原的分離。在這里，本文介紹了納米級的多金屬氧酸鹽（POM）簇與空位兼容的六價錒系元素（238 U，237 Np，242钚和243 Am）在硝酸介質中的三價鑭系元素的選擇性配位。根據報道，該簇是迄今為止在水性介質中觀察到的最穩定的Am（VI）物種。Am（VI）/Eu（III）的分離因子為780。該項工作由清華大學徐超教授團隊聯合蘇州大學完成，以標題為：“Ultrafiltration separation of Am(VI)-polyoxometalate from lanthanides”，發表在2023年Nature上。

?三、【核心創新點】

1.基于超濾的納米級Am（VI）-POM簇與水合鑭系元素離子通過市售的細孔膜的分離，使得能夠開發一次通過镅/鑭系元素分離策略。

2.這種超濾分離方法不涉及任何有機組分并且需要最小的能量輸入該策略，是高效和快速的。

?四、【數據概覽】

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圖1.超濾分離納米級Am（VI）-POM簇與鑭系元素的框架的示意圖。 ? 2023 The Authors

圖2.An（VI）-POM水溶液的吸收光譜。? 2023 The Authors

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圖3.An-POM的結構及其單晶的吸收光譜的圖示。? 2023 The Authors

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圖4.使用POM作為絡合劑通過氧化、絡合和超濾分離Am的驗證。? 2023 The Authors

五、【成果啟示】

? ? ? ? 傳統分離Am（III）和Ln（III），是利用離子之間的細微鍵合差異，由此含有氮或硫供體的萃取劑能夠優先分配Am（III）而不是Ln（III）。由于Am（VI）-POM簇和水合鑭系離子在硝酸溶液中的大小和電荷的差異，本文設計了一種有效的超濾技術。使用錒系元素的氧化、納米級簇組裝和超濾分離的整個分離過程，可以使用不涉及有機組分的水溶液在幾分鐘內均勻地完成，大大減少了二次放射性廢物的數量。純化的Am（VI）-POM可以進一步還原以獲得Am（III）產物，并且釋放的POM簇可以通過超濾再次循環用于下一個分離循環。在條件參數如酸度、反應時間和抗衡離子的類型和濃度的篩選之后，對超濾過程后AnO₂²⁺離子也進行了測試并優化回收。錒系離子的截留系數對于U（96.33% ± 0.79%）、Np（96.00% ± 0.62%）和Pu（96.28% ± 0.50%）高于96%，并且對于Am（91.64% ± 3.23%）為91%。Eu（III）的截留率為1.73% ± 0.58%。Am（VI）/Eu（III）的分離因子為780，顯著高于上述結果。表明，在POM簇中的缺位結構的控制，使前所未有的絡合和穩定的Am（VI）在水溶液中。具有高效率，沒有有機組分，低時間成本和低能量輸入的分離優點，這一分離策略也為在用過的核燃料再處理期間從裂變產物中分離錒系元素提供了新的機會。

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

本文由金爵供稿