高稳定膦酸锆MOFs的构筑及对铀酰离子去污的研究

Metal organic frameworks (MOFs) are a kind of good candidates for heavy metal removal, with advantages of large specific surface area and easy modification. Long-term stability of these compounds remains an issue and is a major hurdle that must be overcome for practical applications of remediating radioactive contaminants, therefore, the synthesis of highly stable novel MOFs for the application is an important research topic. Most of stable zirconium phosphonates obtained by hydrothermal or solventhermal reactions, are amorphous solid, and even rare crystalline compounds still have no high specific surface area. Guided by hard and soft acid and base (HSAB) theory, the project is expected to synthesize novel stable crystallinity zirconium phosphonates MOFs using tetrahedrally shaped tetra-topic ligands, for remediation of uranium contaminated solution with low pH value, and the results will provide more accurate scientific basis to developing novel materials for uranium remediation.

金属有机骨架化合物(MOFs)由于具有高比表面和易修饰的特点，在重离子去污领域具有潜在的应用。然而由于大部分该类型材料的长期化学稳定性差，使得进一步的实际应用面临巨大阻碍，因此合成具有高稳定性的新型MOFs材料应用于放射性污染物的去除成为重要课题。通过水热和溶剂热制备的有机膦酸锆化合物具有高的稳定性，但大多数为非晶态，即便已报道的少量晶态化合物也没有高的比表面积。本课题以软硬酸碱理论为指导，设计合成四面体构型的四膦酸配体并与四价锆盐通过离子热反应制得具有高比表面和高稳定性的晶态膦酸锆MOFs化合物，并应用于低pH废液中铀酰离子的有效去除，为进一步合成高效去除铀酰的MOFs材料提供参考。

随着核能的快速发展，以及对生态环境保护要求的提高，处理好核燃料循环过程中产生的含铀废水具有重要意义。本课题基于这样的研究背景主要基于以下三方面进行了初步研究。（1）高稳定多孔金属膦酸晶体材料的合成策略；（2）对该系列材料在低酸度溶液中对铀酰去除效果进行评估；（3）研究膦酸材料与铀酰的配位化学作用，从而为开发更高效的去除材料提供微观信息。.本课题在这三个方面都取得了较好进展，尤其是前两个方面。首先，探索出了一条多孔膦酸材料的合成策略，即“立体有机膦酸配体法”，在该策略的指引下，合成得到的金属膦酸配合物基本上都是多孔材料，并可以较好地适用于不同的金属离子，从而为金属膦酸材料的结构多样性开拓了新方法。其次，我们合成了一系列的多孔膦酸材料，并将其应用于不同酸性溶液中的铀酰离子去除，并将MOFs材料首次在1M HNO3且铀酰浓度为10 ppm的溶液中，实现了20%以上的铀酰去除效率（固液比为1 g/L）。最后，在第三个方面，我们探索了膦酸与铀酰之间的配位化学作用，为我们进一步理解膦酸基团与铀酰之间的微观结构（如键长、键角、二面角、团簇）提供了丰富的数据，并且我们探索了贫铀材料在荧光探针方面的应用，也取得了初步结果。.通过基金的支持，本课题初步揭示了离子液体类型在膦酸锆MOFs材料合成中的作用，以及膦酸锆MOFs材料超高稳定性与结构之间的构效关系；明确了膦酸锆MOFs化合物对铀酰离子的吸附机理，尝试了强酸性溶液中铀酰离子去除的应用。在基金的支持下，本课题圆满地完成了既定目标，并为下一步的研究做了铺垫与预研，从而为高酸度条件下铀酰废液的深度净化提供了一个较为可行的备选方案。