水溶液中PuO22+络合物热力学、动力学及光谱性质的理论研究

Plutonium is an important raw material of nuclear industry, and has highly radioactive and chemical toxicity. In the process of use and disposal, plutonium could enter the environment through migration or diffusion. This will bring great harm to the environment and human. Identifying the existing forms of plutonium in the aqueous solution has a very important significance for the cognition of the behaviour of plutonium in the environment. This project focus on the structure and coordination modes of the plutonyl coordinates with typical inorganic ions in aqueous solution through theoretical simulation. Through QM/MM and AIMD method to investigate the thermodynamics, kinetics and spectral properties of aqueous plutonyl complexes in close to real system. Based on the theoretical results, the main existence forms of plutonyl in water will be determined, and the complexes formation process, the complex stability, the spectral data will be confirmed. This research work will reveal the chemical nature and the change regularity of plutonium in solution at the molecular level, and provide the scientific basis for understanding the migration and transformation behavior of the actinides in the environment. Moreover, through the establishment and application of the theoretical simulation methods, the development of the theoretical methods of the actinide aqueous solution chemistry is promoted.

钚是重要的核工业原料，但同时也具有极强的放射性及化学毒性。在使用和处置过程中，钚有可能通过迁移、扩散等途径进入环境，对环境及人体造成极大危害。确定钚在水溶液中的存在形态对认识钚在环境中的行为规律有着极其重要的意义。本课题拟通过理论模拟方法针对水溶液中钚酰离子与典型无机配体离子的配位结构、配位方式进行系统地研究，通过采用QM/MM及AIMD方法处理溶剂体系，在更接近真实体系的环境下研究水溶液中钚酰络合物的热力学、动力学及光谱性质。通过对这一系列理论数据的分析，确定钚酰在水环境中最主要的存在形态，其无机络合物的形成过程、络合物的稳定性、特征光谱数据以及影响其形态变化的主要因素，从原子和分子水平揭示钚在溶液中存在的化学本质及其规律性，为理解锕系元素在环境中的迁移和转化行为提供科学依据。同时，通过理论模拟方法的建立与应用，补充并促进锕系元素水溶液化学理论研究方法的发展。

锕系化合物溶液化学研究对锕系元素湿法分离行为及其在环境中的分布迁移行为研究具有重要的意义。针对锕系元素的高毒性和强放射性的特点，本研究采用分子动力学（MD）方法结合量子力学-分子力学（QM/MM）模拟，研究了PuO22+在水溶液中与典型无机配体H2O、OH-和CO32-的配位化学行为进行了研究。通过MD方法研究了钚酰配合物在溶液中的配位结构、配位方式和溶剂化层结构。通过QM/MM方法研究了PuO22+与H2O之间的配位相互作用。采用DFT方法完成了钚酰配合物的热力学、动力学性质和光谱研究。研究结果表明，PuO22+在水溶液中与H2O、OH-和CO32-配位，Pu原子在第一溶剂化层在赤道平面可以4~6配位方式与无机配体络合，形成稳定的配合物。PuO22+与配体之间的配位作用弱于AmO22+，强于UO22+和NpO22+。除此之外，还获得了钚酰配合物的IR和UV-vis光谱，研究结果将为掌握锕系核素在环境中的行为规律，理解锕系元素在溶液中的化学本质和及其规律性都具有重要的意义。通过项目的开展，对核设施周围环境评价、污染治理，提供了理论基础和技术储备。