苏州大学最新Nature

从乏核燃料中存在的镧系元素(Ln)中分配镅在核能的可持续发展中起着关键作用。Am(III)氧化为Am(VI)产生AmO22+与Ln(III)离子不同的离子，原则上有可能促进分离。然而，传统分离方案(包括溶剂和固体萃取)所需的放射解产物和有机试剂将Am(VI)快速还原回Am(III)，阻碍了基于氧化还原的实际分离。

2023年4月19日，苏州大学王殳凹、王亚星、清华大学徐超及美国科罗拉多矿业学院Thomas E. Albrecht-Schönzart共同通讯在Nature 在线发表题为“Ultrafiltration separation of Am(VI)-polyoxometalate from lanthanides”的研究论文，该研究报道了如何从镧系元素中超滤分离Am(VI）-多金属氧酸盐的方法。

该研究报道了一个纳米尺度的多金属氧酸盐(POM)簇，其空位位点与六价锕系元素(238U、237Np、242Pu和243Am)在硝酸介质中的三价镧系元素选择性配位相容。这个团簇是迄今为止在水介质中观察到的最稳定的Am(VI)物质。超滤技术将纳米级Am(VI)-POM簇从水合镧系离子中分离出来，利用市售的细孔膜，实现了一种高效、快速、不涉及任何有机成分、能量输入最少的镅/镧系离子一次性分离策略。

镅是核能发电的一种中子捕获副产品，也是高放废物长期放射性毒性的主要来源。利用快堆有效地回收镅，然后将其嬗变为短寿命或稳定的核素，将大大减少核能对环境的影响。然而，具有高中子俘获截面的镧系元素(Ln)(例如157Gd)的共存严重限制了嬗变效率。克服这一障碍需要开发有效分离镅和镧系元素的方法，几十年来，这一直是核工业的一个长期挑战。

一种缓解这种分离挑战的方法是将Am(III)氧化为更高氧化态的Am(V)和Am(VI)。这些阳离子的配位化学性质与线性二氧基早期锕系离子(如UO2 2+和NpO2+)相似，具有各向异性配位，与相对各向同性的Ln(III)离子形成鲜明对比。原则上，这可以更好地区分镅和镧系元素，从而提高分离效率。尽管在基于氧化还原的方案下已经探索了各种技术，包括溶剂萃取、沉淀和离子交换色谱，但一个未解决的问题是在分离过程中不可避免地将高价Am还原回Am(III)。

Am(VI)阳离子是强氧化剂，AmO22+/AmO2+和AmO22+/Am3+对的还原电位分别为1.6 V和1.68 V(相对于饱和甘汞电极(SCE))。因此，一旦Am(VI)离子接触有机萃取剂/溶剂或通过色谱柱，就可以在几秒钟内产生Am(III)物质，使这些分离变得不切实际。事实上，传统上认为Am(VI)和Am(V)在水溶液中是不稳定的，因为它们甚至可以被活性放射性分解产物有效地还原，与核燃料循环有关的两种常见的镅同位素(241Am和243Am)都具有相当大的放射性。

纳米级Am(VI)-POM团簇与镧系元素超滤分离框架示意图（图源自Nature ）

该研究通过控制POM簇中的孔位结构，实现了Am(VI)在水溶液中的络合和稳定，从而形成一种效率高、不含有机组分、低时间成本和低能量输入的新型分离策略。这一想法也为乏燃料后处理过程中锕系元素与裂变产物的分离开辟了新的机会。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05840-z

转自：“iNature”微信公众号

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