锕系元素分离是乏燃料处理流程的关键组成部分，对于关键放射性核素的回收和再循环至关重要。相关分离技术亦可应用于环境污染修复、核应急和海水提铀等其它领域。传统锕系元素的萃取分离离不开特异性有机萃取剂，通过这些萃取剂对目标金属离子选择性的络合实现其在金属离子的混合物中的高效分离。然而，目前的溶剂萃取方法都是利用配体与单个或少量金属离子形成的简单络合物来完成，分离选择性主要依赖于配体结构的预组织程度及络合原子与目标离子的强弱络合作用，因此，为了实现高选择性分离往往需要复杂的配体合成设计，而且此方法在用于实际分离时分离选择性仍有待提高。
中科院高能所石伟群研究员课题组长期致力于核燃料循环和环境放射化学领域中的关键放射化学问题开展研究，致力于新型放射性核素分离方法与放射性污染控制技术研究与开发，先后实现了高酸度下锕系核素的高效高选择性提取分离（CCS Chem., 2019, 1, 286-295）, 自适应超分子材料对放射性高锝酸根阴离子的选择性捕获（Nat. Commun., 2019, 10, 1532）和动态柱分离（Chem, 2020, 10.1016/j.chempr.2020.08.005）以及酸性条件下放射性核素（铀酰阳离子和高锝酸根阴离子）的“吸附-还原-固定”一体化（Environ. Sci. Technol., 2019, 53, 3739-374，Environ. Sci. & Technol., 2018, 52, 10748-10756）。同时，课题组在锕系超分子自组装体系开发与应用研究方面也开展了一系列卓有成效的探索和尝试（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 16061-16068；Chem. Commun., 2018, 54, 8645-8648；Chem. - Eur. J., 2017, 23, 8380-8384；Chem. - Eur. J., 2017, 23, 13995-14003；Chem. - Eur. J., 2016, 22, 11329-11338）。
近日，该课题组将超分子自组装理念应用于锕系分离化学，提出了一种锕系元素分离“纳米萃取”新范式，即使用大环邻苯三酚[4]芳烃作为萃取剂，在水相/有机相界面捕获螯合铀酰离子，并原位组装形成铀酰配位纳米笼，实现铀酰离子的高效萃取分离（图1）。研究表明，每个配位纳米笼是由6个邻苯三酚[4]芳烃大环和24个铀酰离子组装而成，多种组分在组装过程中具有多价协同效应（multivalent cooperativity），有可能实现铀酰离子分离的高选择性和高效性。小角X射线散射和小角中子散射证实了该配位纳米笼在溶液相中的高稳定性和良好分散性。通过对实际锕系萃取分离过程中水相/有机相两相的原位表征（图2），进一步证明了该方法的可行性。这一锕系分离新思路有望解决传统核素萃取分离中存在的选择性较低的难题。
图1. 锕系核素选择性分离的“纳米萃取”新方法：配位组装纳米团簇作为萃合物
图2. 萃取分离前后水相/有机相中各物种的分析表征和监测
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是中科院高能所梅雷副研究员和任鹏博士，通讯作者是石伟群研究员和梅雷副研究员。
Actinide Separation Inspired by Self-Assembled Metal–Polyphenolic Nanocages
Lei Mei*, Peng Ren, Qun-yan Wu, Yu-bin Ke, Jun-shan Geng, Kang Liu, Xue-qing Xing, Zhi-wei Huang, Kong-qiu Hu, Ya-lan Liu, Li-yong Yuan, Guang Mo, Zhong-hua Wu, John K Gibson, Zhi-fang Chai, Wei-qun Shi*
J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c08048
https://www.x-mol.com/university/faculty/169045
https://www.x-mol.com/people/meilei
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯