中科院高能所石偉群課題組JACS錒系分離的「納米萃取」新策略

2020-10-12 X一MOL資訊

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

錒系元素分離是乏燃料處理流程的關鍵組成部分，對於關鍵放射性核素的回收和再循環至關重要。相關分離技術亦可應用於環境汙染修復、核應急和海水提鈾等其它領域。傳統錒系元素的萃取分離離不開特異性有機萃取劑，通過這些萃取劑對目標金屬離子選擇性的絡合實現其在金屬離子的混合物中的高效分離。然而，目前的溶劑萃取方法都是利用配體與單個或少量金屬離子形成的簡單絡合物來完成，分離選擇性主要依賴於配體結構的預組織程度及絡合原子與目標離子的強弱絡合作用，因此，為了實現高選擇性分離往往需要複雜的配體合成設計，而且此方法在用於實際分離時分離選擇性仍有待提高。


中科院高能所石偉群研究員課題組長期致力於核燃料循環和環境放射化學領域中的關鍵放射化學問題開展研究，致力於新型放射性核素分離方法與放射性汙染控制技術研究與開發，先後實現了高酸度下錒系核素的高效高選擇性提取分離（CCS Chem., 2019, 1, 286-295）, 自適應超分子材料對放射性高鎝酸根陰離子的選擇性捕獲（Nat. Commun., 2019, 10, 1532）和動態柱分離（Chem, 2020, 10.1016/j.chempr.2020.08.005）以及酸性條件下放射性核素（鈾醯陽離子和高鎝酸根陰離子）的「吸附-還原-固定」一體化（Environ. Sci. Technol., 2019, 53, 3739-374，Environ. Sci. & Technol., 2018, 52, 10748-10756）。同時，課題組在錒系超分子自組裝體系開發與應用研究方面也開展了一系列卓有成效的探索和嘗試（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，該課題組將超分子自組裝理念應用於錒系分離化學，提出了一種錒系元素分離「納米萃取」新範式，即使用大環鄰苯三酚[4]芳烴作為萃取劑，在水相/有機相界面捕獲螯合鈾醯離子，並原位組裝形成鈾醯配位納米籠，實現鈾醯離子的高效萃取分離（圖1）。研究表明，每個配位納米籠是由6個鄰苯三酚[4]芳烴大環和24個鈾醯離子組裝而成，多種組分在組裝過程中具有多價協同效應（multivalent cooperativity），有可能實現鈾醯離子分離的高選擇性和高效性。小角X射線散射和小角中子散射證實了該配位納米籠在溶液相中的高穩定性和良好分散性。通過對實際錒系萃取分離過程中水相/有機相兩相的原位表徵（圖2），進一步證明了該方法的可行性。這一錒系分離新思路有望解決傳統核素萃取分離中存在的選擇性較低的難題。

圖1. 錒系核素選擇性分離的「納米萃取」新方法：配位組裝納米糰簇作為萃合物


圖2. 萃取分離前後水相/有機相中各物種的分析表徵和監測


這一成果近期發表在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員和任鵬博士，通訊作者是石偉群研究員和梅雷副研究員。


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


導師介紹

石偉群

https://www.x-mol.com/university/faculty/169045

梅雷

https://www.x-mol.com/people/meilei

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