福建物構所在強酸性條件下選擇性捕獲銫離子研究中獲進展

銫（¹³⁷Cs）是乏燃料中的主要裂變產物之一，放射性強、釋熱量大且半衰期較長，對核廢物的貯存和處置影響大，一旦泄露到環境中將嚴重威脅生態環境和人類健康。

從複雜溶液中快速有效捕獲放射性Cs⁺離子，對環境保護、人類健康和核能的可持續發展具有重要意義。高放廢液常呈強酸性、環境體系非常複雜、含鹽量高，為Cs⁺離子的選擇性分離帶來較多困難。

離子交換法去除銫具有便捷、高效、成本低、二次污染少等優勢而受到關注。然而，由於現有離子交換材料的穩定性問題和酸性環境中質子的強烈競爭，從酸性溶液中高選擇性地捕獲Cs⁺離子頗具挑戰性。

中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室黃小滎課題組研究員馮美玲帶領的放射性污染控制研究小組，在強酸性條件下高選擇性捕獲Cs⁺離子方面取得重要進展。

研究製備出一例高穩定（耐強酸、耐輻照）的K⁺導向的層狀金屬硫化物KInSnS4（InSnS-1），實現了對Cs⁺的快速高效捕獲。其在中性溶液中具有快速捕獲Cs⁺離子的動力學（te^Cs≤ 5 min，R^Cs≥90%）和高吸附量（qm^Cs = 316 mg/g），吸附量高於大多數Cs⁺離子交換劑。

目前，在強酸條件下，能捕獲Cs⁺的材料有限，集中於磷鉬酸銨和杯芳烴冠醚及其複合材料，而InSnS-1在強酸條件下高選擇性捕獲Cs⁺取得了突破，在1 mol/L HNO3溶液中可以有效地捕獲Cs⁺離子（qm^Cs = 98.6 mg/g），且在4 mol/L的HNO3溶液中可以保持其層狀結構，這是首次實現高穩定硫化物框架用於強酸性溶液中Cs⁺捕獲。

即使在高濃度的競爭性Mnⁿ⁺離子（Mnⁿ⁺ = Na⁺、Sr²⁺、Ca²⁺和La³⁺）存在下，InSnS-1對Cs⁺離子仍然表現出優異的選擇性，且在強酸性溶液（1和3mol/L HNO3）中具有高分離係數SFCs/M。

該研究首次利用系統的選擇性實驗揭示了H3O⁺離子對離子交換材料選擇性捕獲Cs⁺的影響。研究表明，酸度的增加導致其對Mⁿ⁺離子的去除率比Cs⁺的捕獲率有更大的衰減，這是由於H3O⁺離子對競爭離子有更強的排斥力以及軟鹼性S^2-和相對軟酸性Cs⁺之間有更強的作用力。

進一步，該材料還可以作為離子交換柱的固定相，從含有高濃度Cs⁺的中性和酸性溶液中有效去除Cs⁺，處理量分別達到1300（C0^Cs = 190.13 mg/L，中性溶液）和650（C0^Cs = 84.25 mg/L，1 mol/L HNO3）床體積。這些優異特性表明InSnS-1在放射性銫修復領域具有潛在的應用前景。

研究通過單晶結構分析首次清晰、直觀地顯示了Cs⁺和H3O⁺分別或同時進入化合物層之間，並在分子水平上闡明了酸性溶液中選擇性捕獲Cs⁺的機制。結構-性能分析初步揭示了K⁺導向金屬硫化物離子交換性能的一般規律。

這是一項系統性探究金屬硫化物在強酸條件下選擇性捕獲Cs⁺的開創性工作。相關研究成果果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金面上項目、福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才、福建省自然科學基金、中科院海西研究院融合發展基金等的支持。

此前，馮美玲研究小組已在高選擇性捕獲和分離關鍵核素方面取得系列研究成果（Chem. Eng. J.2022, 429, 132474；Chem. Eng. J.2021, 420, 127613；ACS Appl. Mater. Interfaces2021, 13, 10191-10201；Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59,1878-1883；Chem. Mater.2020, 32, 1957-1963；ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 26222-26231；J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 11133-11140；J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 4314-4317；J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 12578-12585）。

高穩定層狀金屬硫化物KInSnS4強酸性條件下高選擇性捕獲Cs⁺離子研究