近日，中國科學技術大學核科學技術學院陳志副教授團隊成功合成了一種具有雙功能的陽離子型有機聚合物材料，并將其應用于高效凈化含锝核廢水。這項研究成果以“Synthesis and performance of guanidinium-based cationic organic polymer for the efficient removal of TcO4-/ReO4-”為題發表在國際知名期刊《危險材料雜志》（Journal of Hazardous Materials，466（2024）133602）上。
在發展核能的過程中，不可避免會產生大量的含锝(99Tc)廢水。放射性核素99Tc是一種長壽命裂變產物，半衰期長達2.13×105年，具有長期潛在放射性危害。水溶液中99Tc通常以穩定的TcO4-的形式存在。TcO4-具有高溶解性、遷移能力強、易泄露的特性，可能進入地下水，對人類健康和周邊環境構成嚴重威脅，因此需要高效去除TcO4-。
陽離子型有機聚合物（COP，Cationic Organic Polymer）是一類新興的帶有正電荷的聚合物材料，近年來被廣泛用于TcO4-/ReO4-的去除。COP由強共價鍵構成，在苛刻環境下具有高化學穩定性、熱穩定性和一定的耐輻照性能等突出優點。然而，傳統的COP制備條件通常嚴苛，即要求高溫、無水、無氧或長制備時間，這限制了其在大規模應用中的可行性。因此，如何調控COP的結構，選擇合適基體單元，并實現大規模制備具有活性高、穩定性高、選擇性優越、循環性能好的COP材料，成為推動這一研究領域進一步發展的關鍵科學問題。
胍基陽離子型有機聚合物材料的合成和去除TcO4-示意圖
針對上述問題，研究團隊選擇含活性基團胍基基體作為節點單元和含有吸電子體N元素的吡啶基體作為連接單元，通過Schiff堿反應成功制備出高性能的聚合物材料(GBCOP)。經過系統的實驗表征，研究團隊發現GBCOP呈多孔層狀結構，有利于TcO4-/ReO4的高效去除。這種材料具有胍基和吡啶基兩種官能團，不僅擁有豐富的活性位點而且表現出優越的穩定性。利用非放射性的ReO4-模擬實驗，研究團隊發現GBCOP對水溶液中的ReO4-具有快速的去除動力學(1 min, 99%)和高達537 mg/g的去除容量。在1000倍NO3-陰離子共存的情況下，GBCOP對ReO4-的去除率為74%，表明其具有良好的選擇性。在較寬的pH(3.0 ~ 10.0)范圍內，GBCOP對ReO4-具有高的去除效率，且在強酸、強堿條件下仍有較好的穩定性。此外，GBCOP可重復使用4次，且可以去除模擬Hanford廢水中81%的ReO4-。最后，結合DFT計算揭示了GBCOP去除ReO4-的機理是通道內Cl-離子被替換成ReO4-。這種雙功能GBCOP材料具有高的選擇性和穩定性，且制備過程更為簡單，成本更低。該研究成果為核廢水中TcO4-的處理提供了一種新的有效的解決方案，具有重要的應用價值。
核科學技術學院輻射防護課題組碩士研究生唐輝平是該項工作的第一作者，陳志副教授為通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133602
（核科學技術學院、科研部）
