科研進(jìn)展
青海鹽湖所在鹽湖銫資源辨識(shí)分離上取得新進(jìn)展
近日，青海鹽湖研究所溶液結(jié)構(gòu)與界面課題組（周永全研究員團(tuán)隊(duì)）在鹽湖銫資源的選擇性分離上取得新進(jìn)展。研究成果在Chem. Eng. J.（一區(qū)TOP）和J. Environ. Chem. Eng. （二區(qū)TOP）發(fā)表，青海鹽湖研究所為第一單位，Ikram Muhammad助理研究員為論文第一作者。
稀堿金屬銫(Cs)是重要的戰(zhàn)略資源，其在鹽湖鹵水中的儲(chǔ)量可觀，研究從鹽湖鹵水中提取分離Cs的工藝有很大的應(yīng)用前景。然而，目前還無規(guī)?；膹柠}湖鹵水中提取Cs的方法。由于堿金屬族離子的物化性質(zhì)十分相似，Cs+常與其他離子（如K?、Na?、Ca2?、Mg2?）伴生共存，因此高效地從鹽湖鹵水中提取分離Cs+有一定的挑戰(zhàn)性。離子交換與吸附法因具有成本效益高、操作簡(jiǎn)便且二次廢物產(chǎn)生量少等優(yōu)勢(shì)，被視為稀散元素銫分離的理想策略。然而，傳統(tǒng)方法面臨的選擇性不足及水環(huán)境中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的缺陷，限制了其廣泛應(yīng)用。過去20年間，金屬有機(jī)框架衍生材料憑借其可控的形貌結(jié)構(gòu)與可調(diào)孔隙率，成為極具潛力的候選材料。但常規(guī)高溫煅燒轉(zhuǎn)化法（400–900°C）在將金屬有機(jī)框架轉(zhuǎn)化為金屬氧化物/硫化物時(shí)，常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性受損，引發(fā)顆粒團(tuán)聚、比表面積下降及活性位點(diǎn)包埋等問題，最終顯著降低材料吸附容量。為突破上述局限，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所溶液結(jié)構(gòu)與界面課題組（周永全研究員團(tuán)隊(duì)）提出了一種新型溶劑熱刻蝕策略。該創(chuàng)新方法通過優(yōu)化熱處理?xiàng)l件直接調(diào)控MOF衍生材料的結(jié)晶度，提升了孔隙可率、促進(jìn)了離子擴(kuò)散，還通過構(gòu)建缺陷結(jié)構(gòu)、調(diào)控配位位點(diǎn)、擴(kuò)大比表面積及雜原子摻雜（如氮摻雜）等策略實(shí)現(xiàn)材料特性的定向工程。這些協(xié)同改性有效調(diào)節(jié)了材料的電子電導(dǎo)率，顯著增強(qiáng)了其離子捕集能力。
基于上述策略，將十二面體ZIF-8定向轉(zhuǎn)化為無碳氮摻雜氧化鋅棒（HNZOR），并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為硫化鋅球（HNZSS）。與傳統(tǒng)煅燒方法相比，該方法有效抑制了金屬團(tuán)聚，充分暴露活性位點(diǎn)，并形成了具有高表面積的非晶區(qū)域（HNZOR為203.9 m2/g，HNZSS為61.7 m2/g）。這些特性協(xié)同增強(qiáng)了傳質(zhì)能力，并在吸附劑骨架中形成強(qiáng)結(jié)合力，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的吸附性能。K?活化后的吸附劑（KNZOR和KZNSS）展現(xiàn)出快速吸附動(dòng)力學(xué)和高吸附容量（分別為275 mg/g和302 mg/g），克服了競(jìng)爭(zhēng)離子干擾，在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)Cs?具有優(yōu)異的選擇性。在實(shí)際水樣中，它們表現(xiàn)出卓越的吸附效率，KNZOR和KZNSS的分配系數(shù)（Kd）分別達(dá)到2061.85 mL/g和2578.31 mL/g。在實(shí)際柱操作中，KNZOR和KZNSS在連續(xù)流條件下可實(shí)現(xiàn)近定量（約99%）的Cs?回收。研究結(jié)果以“In-situ sequential topotactic transformation of ZIF-8 to N-doped Zn-oxide/ sulfide with defect engineering for efficient radiocesium capture” 為題發(fā)表于Chem. Eng. J.（一區(qū)TOP）。
圖 1. 材料制備、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像，以及密度泛函理論（DFT）計(jì)算和展示的銫吸附過程示意圖
在另一項(xiàng)工作中，通過層層自組裝雙金屬金屬有機(jī)骨架（MLF）衍生出具有高孔隙率和大比表面積的穩(wěn)健K+離子導(dǎo)向金屬硫化物（KCoZnS）納米片（NSs），實(shí)現(xiàn)了酸性介質(zhì)中Cs+離子的快速選擇性捕獲，并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐輻射性。KCoZnS具有出色的離子交換容量（qe ≈ 400 mg/g）、高去除率（約93%）和較大的分配系數(shù)（3.09×10? mL/g）。此外，該離子交換過程簡(jiǎn)便且可逆，洗脫效率超過99%。通過XRD、XPS、EDS并結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算，證實(shí)并闡明了Cs+與KCoZnS層間的相互作用。KCoZnS對(duì)Cs+的高吸附容量和優(yōu)異選擇性可歸因于其卓越的離子交換性能、結(jié)構(gòu)柔韌性以及軟堿S2?與軟酸Cs+之間的配位作用（Cs-S鍵）。該研究展示了一種利用MOF衍生金屬硫化物實(shí)現(xiàn)高效Cs+捕獲的新路徑。研究成果以“Metal organic frameworks derived novel metal sulfide (KCoZnS) nanosheet as an efficient collector for cesium ions”為題發(fā)表于J. Environ. Chem. Eng. (二區(qū)TOP)發(fā)表。
圖2. ZIF-8、MLF 和 KCoZnS 的合成示意圖
研究揭示了從金屬有機(jī)框架前驅(qū)體制備無機(jī)金屬氧化物/金屬硫化物材料的新路徑，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)鹽湖銫離子的選擇性捕獲。所闡明的辨識(shí)吸附機(jī)理與補(bǔ)充的MOF材料庫可為開發(fā)用于高效分離目標(biāo)放射性核素的新一代無機(jī)吸附材料提供指導(dǎo)，對(duì)鹽湖稀散元素資源的綠色開發(fā)利用具有重要意義。
研究工作得到青海省優(yōu)秀青年科學(xué)基金（2025-ZJ-967J）、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所（E355HX01）和中國科學(xué)院青海鹽湖研究所青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（ISLJCTD-2022-04）的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172943?
https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.119802?
審核：葛飛
