铈基金属有机框架材料实现放射性碘酸根的选择性高效捕获 | NSO

核能是一种重要的清洁能源，发展核电是实现能源供应和低碳排放的重要途径之一。然而，在乏燃料后处理中会产生大量的放射性核素，其中长寿命的129I (T1/2=1.57×107 y)被列为重点关注核素。放射性碘因其高毒性和在甲状腺中的特异性生物蓄积而成为人类健康的风险之一。离子态的放射性碘主要包括I-和IO3-。在高度好氧条件下，IO3-是优势种态，约占Hanford遗场址地下水中总碘的70.6%。相比于I-，IO3-与吸附剂之间的作用力相对较弱，传统的吸附剂难以将其有效去除。因此，安全有效地去除放射性IO3-对于放射性废物管理、医疗废物处理和水污染修复至关重要。

近日，苏州大学放射医学与防护学院王殳凹教授团队筛选出具有弱配位基团的镧系金属有机框架材料Ce(IV)-MOF-808，实现了溶液中IO3-的高选择性、高去除深度以及模拟废液中IO3-的优异动态穿透效果。相关成果以“Selective capture of iodate anions by a cerium-based metal-organic framework”为题发表在《国家科学进展》(National Science Open) 上。

图1 Ce(IV)-MOF-808的结构及其对IO3-的吸附机理

目前大多数吸附剂对IO3-的去除率、选择性和去除深度均极为有限。为此，王殳凹教授团队理性设计并制备了具有弱配位OH-/H2O的Ce(IV)六核簇MOF材料Ce(IV)-MOF-808。IO3-易取代Ce(IV)簇中的配位基团，并进而与Ce(IV)形成强配位键，最终实现溶液中IO3-的高效去除（图1）。

核废液体系中含有大量的竞争阴离子，这些离子的竞争效应对于含有IO3-废液的处理至关重要。吸附实验表明，即使在竞争阴离子Cl-、NO3-摩尔浓度为IO3-100倍的条件下，Ce(IV)-MOF-808依然可以去除至少91.8%以上的IO3-，展现出良好的选择性吸附(图2a、b)。为了进一步探索Ce(IV)-MOF-808在放射性废液处理中的实际应用潜力，该团队通过将其在模拟汉福德地下水和北山地下水中进行了静态吸附和动态柱穿透实验。在固液比为5 g/L时，Ce(IV)-MOF-808可以去除两种模拟废液中近99%的IO3-。在分别流入72 mL模拟汉福德废液和120 mL模拟北山废液后，动态吸附达到平衡。上述结果表明该材料具有实际分离放射性IO3-的前景(图2c-f)。

图2 Ce(IV)-MOF-808在中性(a)和酸性(b)时对IO3-的选择性吸附；Ce(IV)-MOF-808以不同固液比在模拟美国Hanford废液(c)和中国北山废液(d)中对IO3-的静态吸附；Ce(IV)-MOF-808在模拟美国Hanford废液(e)和中国北山废液(f)中对IO3-的动态柱穿透吸附

该团队进一步分析了Ce(IV)-MOF-808对IO3-的吸附机理。XPS全谱结果证实了IO3-被捕获到材料中。IO3-通过取代该材料上弱配位的羟基或者水从而被暴露出来的四价铈捕获形成强配位的Ce-O-I键；并且酸性条件下吸附后的材料中Ce-O-I峰的面积大于中性条件，表明酸性条件下的吸附更优(图3)。

图3 Ce(IV)-MOF-808吸附IO3-前后的XPS全谱(a)、I 3d谱(b)和O 1s谱(c)

研究意义

针对地下水等含氧浓度高的环境中IO3-的有效去除，根据软硬酸碱理论，选择具有Ce(IV)为活性位点的镧系金属有机框架材料Ce(IV)-MOF-808，通过IO3-与Ce(IV)之间的强作用力，使IO3-取代弱配位的基团后形成强Ce-O-I键，实现了IO3-的高效去除。该工作不仅全面地分析了Ce(IV)-MOF-808对IO3-的吸附性能，而且为今后设计合成其他新型高吸附性能、高选择性的IO3-吸附材料提供了重要的参考价值。

苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室硕士生赵玉婷、李杰副教授以及陈龙副研究员为该论文的共同第一作者，王殳凹教授为通讯作者。该工作受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国博士后创新人才计划项目等项目的资助。