高稳定高比表面积单晶有机磷酸锆的合成及相关核素的去除研究

In the nuclear fuel cycle, the harsh environmental conditions of high heat, high acid and strong radiation are often encountered, and most of the current metal-organic framework materials are difficult to maintain the high stability and enrichment properties of the material itself, which makes the further application facing great challenges. Therefore, it has become an important subject to synthesize a material that can not only obtain high adsorption capacity for the removal of nuclides under extremely acidic conditions, but also maintain the stability of the material. This project is expected to synthesize highly stable crystallinity zirconium phosphonates by solvent-thermal method. These materials will be used to the removal of related nuclides under extremely acidic conditions and obtain the adsorbed single-crystal structure for the study of adsorption mechanism. In addition, this project will provide theoretical basis for designing better performance and cheaper adsorption materials.

在核燃料循环中往往要涉及到高热、高强酸及强辐射的苛刻的环境条件，目前大部分金属有机框架材料都难以维持材料本身的高稳定性能与富集性能相兼得的性质，使得进一步应用面临了很大的挑战，因此研发在极酸性条件下能稳定存在并高容量吸附目标核素具有重要意义。本项目拟采用溶剂热法合成高稳定的有机磷酸锆单晶材料，并应用于极酸性条件下相关核素的去除，并获得吸附后的单晶结构应用于吸附机理的研究，为进一步设计开发性能更优、成本更低的吸附材料提供理论依据。

安全高效地发展核电是我国未来实现双碳目标的重要保障之一。目前，我国在建核电机组规模居世界首位，对核环保与核燃料等方向提出了新的需求。同时，近期的日本福岛核废水排海问题以及俄乌冲突导致的潜在核危机又引发了全球对核安全问题的普遍关注。目前，该领域主要存在三个关键的需求和难题:一是如何做到安全高效的乏燃料后处理，从而实现核资源利用最大化以及核废物体积最小化；二是如何实现长寿命放射性核废物的安全处置；三是如何在未来潜在的核事故中，以及在国际紧张的核形势下，实现有效的放射性污染控制与核应急。我国前期在该领域的基础研究十分薄弱，技术储备相对不足。针对这个问题，整体研究思路是基于各种关键放射性核素独特的配位化学环境与行为，发展复杂体系下的放射性核素精准识别理念包括选择性结晶和吸附，并将其应用于乏燃料后处理、高放废物处置及核事故应急等任务中。.主要工作包括：1）合成出一种独特的包含铀酰五聚体作为二级构建单元的铀酰框架。2）合成了一种稳定的铀酰苯二膦酸银配位化合物，证明了异价银在膦酸铀酰层状框架中的独特存在。 3）合成了一个新型发光层状铀酰有机骨架材料(UPhPC-1)及辐射探测研究。4）合成出一例铀酰铕双金属化合物并用于低浓度重水检测。5）在温和的水/溶剂热条件下合成了两种新的稳定且复杂的三维有机膦酸铀酰化合物。6）制备了一种新型的层状锆基MOFs材料SZ-7，SZ-7在1M HNO3和1M NaOH溶液中都具有高稳定性，且表现出极好的辐照稳定性。通过静态吸附实验表明，SZ-7能有效去除pH=14溶液中的Sr2+，且具有极高的吸附容量（q）和分配系数（Kd），且SZ-7与客体Sr2+之间存在很强的相互作用。7）设计并制备了一种微孔二维锡硫化合物(NH4)2(Sn3S7)用于碘的高效去除。8）合成了富钾氟膦酸锆材料SZ-8，被认为是在极酸性条件下（pH 1，2）吸附Eu3+最有前途的材料之一。9）合成了一种富K的有机膦酸铀酰化合物，并系统研究它与碱金属碱土金属的交换能力。在本项目的支持下，目前已发表8篇文章，还有一篇在投。