科研進展
青海鹽湖所在鹽湖銫資源辨識分離上取得新進展
近日，青海鹽湖研究所溶液結構與界面課題組（周永全研究員團隊）在鹽湖銫資源的選擇性分離上取得新進展。研究成果在Chem. Eng. J.（一區TOP）和J. Environ. Chem. Eng. （二區TOP）發表，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)是重要的戰略資源，其在鹽湖鹵水中的儲量可觀，研究從鹽湖鹵水中提取分離Cs的工藝有很大的應用前景。然而，目前還無規模化的從鹽湖鹵水中提取Cs的方法。由于堿金屬族離子的物化性質十分相似，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+有一定的挑戰性。離子交換與吸附法因具有成本效益高、操作簡便且二次廢物產生量少等優勢，被視為稀散元素銫分離的理想策略。然而，傳統方法面臨的選擇性不足及水環境中結構穩定性差的缺陷，限制了其廣泛應用。過去20年間，金屬有機框架衍生材料憑借其可控的形貌結構與可調孔隙率，成為極具潛力的候選材料。但常規高溫煅燒轉化法（400–900°C）在將金屬有機框架轉化為金屬氧化物/硫化物時，常導致結構完整性受損，引發顆粒團聚、比表面積下降及活性位點包埋等問題，最終顯著降低材料吸附容量。為突破上述局限，中國科學院青海鹽湖研究所溶液結構與界面課題組（周永全研究員團隊）提出了一種新型溶劑熱刻蝕策略。該創新方法通過優化熱處理條件直接調控MOF衍生材料的結晶度，提升了孔隙可率、促進了離子擴散，還通過構建缺陷結構、調控配位位點、擴大比表面積及雜原子摻雜（如氮摻雜）等策略實現材料特性的定向工程。這些協同改性有效調節了材料的電子電導率，顯著增強了其離子捕集能力。
基于上述策略，將十二面體ZIF-8定向轉化為無碳氮摻雜氧化鋅棒（HNZOR），并進一步將其轉化為硫化鋅球（HNZSS）。與傳統煅燒方法相比，該方法有效抑制了金屬團聚，充分暴露活性位點，并形成了具有高表面積的非晶區域（HNZOR為203.9 m2/g，HNZSS為61.7 m2/g）。這些特性協同增強了傳質能力，并在吸附劑骨架中形成強結合力，從而實現了優異的吸附性能。K?活化后的吸附劑（KNZOR和KZNSS）展現出快速吸附動力學和高吸附容量（分別為275 mg/g和302 mg/g），克服了競爭離子干擾，在復雜環境中對Cs?具有優異的選擇性。在實際水樣中，它們表現出卓越的吸附效率，KNZOR和KZNSS的分配系數（Kd）分別達到2061.85 mL/g和2578.31 mL/g。在實際柱操作中，KNZOR和KZNSS在連續流條件下可實現近定量（約99%）的Cs?回收。研究結果以“In-situ sequential topotactic transformation of ZIF-8 to N-doped Zn-oxide/ sulfide with defect engineering for efficient radiocesium capture” 為題發表于Chem. Eng. J.（一區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）計算和展示的銫吸附過程示意圖
在另一項工作中，通過層層自組裝雙金屬金屬有機骨架（MLF）衍生出具有高孔隙率和大比表面積的穩健K+離子導向金屬硫化物（KCoZnS）納米片（NSs），實現了酸性介質中Cs+離子的快速選擇性捕獲，并展現出優異的穩定性和耐輻射性。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（3.09×10? mL/g）。此外，該離子交換過程簡便且可逆，洗脫效率超過99%。通過XRD、XPS、EDS并結合密度泛函理論（DFT）計算，證實并闡明了Cs+與KCoZnS層間的相互作用。KCoZnS對Cs+的高吸附容量和優異選擇性可歸因于其卓越的離子交換性能、結構柔韌性以及軟堿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衍生金屬硫化物實現高效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”為題發表于J. Environ. Chem. Eng. (二區TOP)發表。
圖2. ZIF-8、MLF 和 KCoZnS 的合成示意圖
研究揭示了從金屬有機框架前驅體制備無機金屬氧化物/金屬硫化物材料的新路徑，并實現了對鹽湖銫離子的選擇性捕獲。所闡明的辨識吸附機理與補充的MOF材料庫可為開發用于高效分離目標放射性核素的新一代無機吸附材料提供指導，對鹽湖稀散元素資源的綠色開發利用具有重要意義。
研究工作得到青海省優秀青年科學基金（2025-ZJ-967J）、中國科學院青海鹽湖研究所（E355HX01）和中國科學院青海鹽湖研究所青年團隊項目（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
