石墨炔是一种新型的二维碳材料,具有丰富的碳化学键、大共轭体系、多活性位点、特殊三角孔道结构以及优良的化学稳定性,在诸如储能材料、催化、电化学、生物传感与探测、分离等领域均有着重要的应用前景。对石墨炔结构特征的深入探究及对其应用领域的不断拓展,都将对石墨炔研究起重要的推动作用。
图1 石墨炔吸附示意图和计算结构图。 最近,澳门新甫京娱乐娱城平台化学与分子工程学院沈兴海教授团队系统研究了典型锕系离子(Th4+、UO22+、Pu4+、Am3+、Cm3+)、镧系离子(La3+、Eu3+、Tm3+)以及锶(Sr2+)、铯(Cs+)离子与石墨炔的配位和吸附作用,重点考察了f电子对配位的影响。实验测定和理论计算发现:水溶液状态下,石墨炔对Th4+、Pu4+、Am3+、Cm3+和Cs+具有显著的吸附作用,而对UO22+、La3+、Eu3+、Tm3+和Sr2+完全不发生吸附。研究结果还表明:在不同配位状态下,锕系离子以单离子状态存在,而石墨炔结构则发生不同程度的形变。例如,XPS分析发现,被石墨炔吸附的Th4+的4f峰发生了明显的位移和裂分。通过理论计算Th4+在聚集和单离子状态下的差别,可以推断XPS峰发生裂分是由于出现Th4+单离子态所致。
图2 石墨炔吸附选择性实验(A),石墨炔在铀钍混合溶液中吸附选择性检测(B),石墨炔吸附Th4+前后XPS谱图对比(C),Th(NO3)4与吸附在石墨炔上的Th4+的XPS峰对比。 现有方法通过泡沫铜为基底可制备石墨炔分离膜并有效实施分离。因此,基于上述研究结果并结合膜分离技术,有望实现核燃料循环领域“镧锕分离”、“锶铯分离”和“钍铀分离”的新突破。石墨炔上单离子配位状态的揭示,为锕系单离子磁体和催化剂的开发提供了一种新的思路和途径,具有显著的科学意义。此外,随着锕系离子5f层电子的变化,石墨炔的结构也会产生不同程度的形变,这一结果有助于对石墨炔自身结构特征和相关性质的深入认识。
图3 石墨炔膜分离设计示意图。 相关结果以“Coordination of Actinide Single Ions with Deformed Graphdiyne: Strategy on Essential Separation Processes in Nuclear Fuel Cycle”为题于2020年7月2日在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.202008165)。论文的第一、第二作者分别是澳门新甫京娱乐娱城平台博士研究生袁天宇和熊世杰,通讯作者为澳门新甫京娱乐娱城平台沈兴海教授。该工作受到国家自然科学基金联合基金重点项目的资助(项目编号:U1830202)。(澳门新甫京娱乐娱城平台新闻网) |
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