基于同步辐射XAFS技术研究阳离子骨架基多硫化物复合材料从盐湖卤水中富集铀的机理

Salt lakes contain relatively high concentrated uranium resources, which can be used as an important supplement to nuclear fuels. However, there is a lack of research on the uranium extraction in salt lakes. In order to enrich and separate uranium from salt lake brine highly selectively and efficiently, this project intends to choose different cationic framework materials such as layered double hydroxides (LDH), layered rare earth hydroxides (LRH), and polypyrrole (Ppy) as carriers, and to design different polysulfide anions such as (Sx)2-, (MoS4)2- and (MoxSy)2- as functional groups, from which novel cationic framework-based polysulfide composites will be fabricated, through various methods such as ion exchange. By investigating the enrichment and separation behavior of the composites towards uranium in salt lake brine, the structure-function relationship can be established. A preliminary study of the interactions between the uranium and composite materials will be conducted using conventional spectroscopy, and in cooperation with the Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Science, the XAFS technique will be further used to analyze the sorption mechanism of uranium on the composite materials from molecular scale. Through these analysis techniques, composite materials with large sorption capacity, high selectivity and good stability will be achieved. Finally, feasible strategies for uranium extraction from the salt lakes will be proposed.

盐湖中蕴含浓度较高的铀资源，可作为核能燃料的重要补充，但目前盐湖提铀的研究尚缺乏。为高效、高选择性地从盐湖卤水中富集分离铀，本项目拟筛选不同的阳离子骨架材料(层状双金属氢氧化物LDH、层状稀土氢氧化物LRH、聚吡咯Ppy等)作载体，设计不同的多硫化物如(Sx)2-、(MoS4)2-和(MoxSy)2-等作功能阴离子，通过离子交换等方法负载构筑新型的阳离子骨架基多硫化物复合材料。研究复合材料对盐湖卤水中铀的富集分离行为，建立构效关系；采用常规表征手段初步研究复合材料与铀的相互作用，通过与中科院上海应用物理研究所合作，重点以同步辐射XAFS技术从分子尺度解析铀在复合材料上富集的机制，获得吸附量大、选择性高、稳定性好的复合材料，最终提出盐湖提铀的可行性策略。

本项目以正电性基质材料—层状双金属氢氧化物(LDH)、聚吡咯(Polypyrrole, Ppy)和磁性Fe3O4为主体，负载多硫化物阴离子客体如MoS42-、(Mo3S13)2-等构筑主客体复合材料如LDH-Mo3S13、Ppy-MoS4、Ppy-Mo3S13、Fe3O4/MoS4、Fe3O4-MnO2/MoS4，借助路易斯软碱的S与路易斯软酸的重金属离子的高度亲和力，提高对水溶液体系有毒重金属离子Hg2+, Pb2+的去除性能和贵金属 Ag+的提取力，显示优良的吸附选择性；同时，借助(Mo3S13)2-中Mo4+和S22-的还原性将Ag+还原为单质银，可用于高效提取贵金属银(Ag0)；此外，合成了兼具O、N配位原子的苯甲酰胺肟插层LDH复合体BAO-LDH和乙酰胺肟-乙酸根共插层的LDH复合体ACAO-AC-LDH，以及富含氧配体的均苯四甲酸插层LDH的复合体PMA-LDH，该类材料均可高效吸附铀酰根离子，U(VI)吸附量均高于320 mg g-1，且铀吸附动力学很快，如ACAO-AC-LDH的吸附动力学系数高于文献报道值，且对含高浓度竞争离子水环境如海水中的铀可实现>90%的去除率(ACAO-AC-LDH对天然海水中铀的吸附率甚至超过99%），显示出超高的吸附选择性，可望用于海水提铀和盐湖水提铀；使用上海同步辐射光源XAFS测试拟合计算出用于天然海水提取铀的一种具有纳米通道结构的聚胺肟(PAO)纤维吸附剂的配位结构，根据计算出的U-O, U-N及U-C的配位数，确定PAO与铀酰离子间的作用为协同的耦合配位模式，明确了铀吸附的机理，总结了吸附剂结构与吸附性能的关系，为设计开发高效、耐用、经济的吸附剂材料提供重要借鉴。本项目取得的实验数据和研究成果，为研发高效提铀材料提供重要数据信息，可促进核能科技清洁、高效发展，助力“双碳”目标早日实现，具有重要理论意义和应用价值。