焦磷酸与不饱和氮位点协同作用实现浓硝酸中铀的高效回收

《Nature Communications》：Synergy of pyrophosphate and unsaturated nitrogen sites for efficient uranium recovery from concentrated nitric acid

　　本研究针对乏核燃料后处理中超强酸和强辐射环境下铀回收的技术难题，开发了一种焦磷酸功能化g-C3N4聚合物(PCN1/3)。该材料通过不饱和氮位点和焦磷酸基团的协同配位，在12 M HNO3中实现75.3 mg g-1的铀吸附容量，分配系数高达18,964 mL g-1，并表现出优异的辐射稳定性(500 kGy)。这项工作为核废料管理提供了新型功能聚合物设计思路。

　　

随着核能产业的快速发展，乏核燃料(SNF)的安全处理与资源回收已成为关乎能源可持续性和环境安全的核心议题。全球核电站每年产生约10,500吨乏燃料，其中含有超过90%未消耗的铀资源以及大量高放射性裂变产物。传统回收技术面临超强酸(12 M HNO₃)和强辐射(500 kGy)环境的严峻挑战，多数吸附材料会出现结构降解或功能失效。

为解决这一难题，海南大学研究团队在《Nature Communications》发表创新性研究，开发出焦磷酸修饰石墨相氮化碳(PCN_1/3)聚合物材料。该材料巧妙利用g-C₃N₄骨架固有的化学稳定性，结合焦磷酸基团与不饱和氮原子的协同配位作用，实现了浓硝酸环境中铀酰离子(UO₂²⁺)的高效捕获。

研究采用热聚合法合成系列PCN_x材料，通过调控焦磷酸钠与三聚氰胺前驱体比例优化性能。表征手段包含X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)等材料分析技术，结合吸附实验、辐射耐受性测试等性能评估方法，并利用扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)和密度泛函理论(DFT)计算揭示吸附机制。

材料合成与表征

通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察发现，PCN1/sub>保持g-C₃N₄的片层结构，但焦磷酸基团引入导致(100)晶面衍射峰消失，说明骨架发生平面畸变。

XPS谱图在133.65 eV和132.88 eV处出现P=O和P-O特征峰，ICP-OES检测显示磷含量随前驱体比例增加而上升，接触角测试证实材料亲水性显著增强。

吸附性能优化

系统评估显示当Na₄P₂O₇与三聚氰胺比例为1:3时，PCN_1/3在12 M HNO₃中达到75.3 mg g^-1吸附容量，较文献报道材料提升显著。

材料在3 M NaNO₃高盐环境中仍保持81.2%吸附效率，经500 kGy辐照后容量无衰减，证明其极端环境适应性。

吸附机制解析

动力学数据符合准二级模型，等温线拟合遵循Langmuir模型，理论最大吸附量达142.6 mg g^-1。

EXAFS分析显示U-O_ax(1.75 ?)和U-O_eq(2.34 ?)配位键，DFT计算证实Na⁺掺杂使吸附能降至-6.65 eV。

本研究通过精准分子设计实现了铀回收技术的突破，PCN_1/3材料在模拟实际后处理条件的柱实验中展现78 mg g^-1的动态吸附容量。工作为核燃料循环体系提供了兼具超强酸耐受性、辐射稳定性和高选择性的新型吸附平台，对推进放射性废物资源化处理具有重要实践意义。