石墨炔是一種新型的二維碳材料，具有豐富的碳化學鍵、大共轭體系、多活性位點、特殊三角孔道結構以及優良的化學穩定性，在諸如儲能材料、催化、電化學、生物傳感與探測、分離等領域均有着重要的應用前景。對石墨炔結構特征的深入探究及對其應用領域的不斷拓展，都将對石墨炔研究起重要的推動作用。
 在核燃料循環領域，針對特定離子間的選擇性分離關系到核工業的可持續發展問題。首先，為了将高放廢液中的次锕系元素轉變成短壽命或者穩定的核素，從而降低或消除核廢物的長期危害，研究人員提出了“分離-嬗變”的處理方法。然而，高放廢液中的镧系元素會成為次锕系元素的中子毒物，嚴重阻礙其嬗變過程，所以“镧锕分離”對于高放廢液的處理至關重要。其次，锶、铯作為乏燃料中的主要釋熱元素和放射性來源，在現有處理流程中通常作為污染物被共同去除。由于锶、铯本身都是制作放射源的重要原料，進一步實現“锶铯分離”對于放射性資源的合理利用意義非凡。第三，钍在核能領域的應用受到了越來越多的重視。與鈾相比，钍在其使用過程中産生的長壽命次锕系元素少，并能有效防止核擴散且具有儲量豐富的優勢。無論在礦産資源還是钍基熔鹽堆的乏燃料中，钍與鈾總是共存的，因此不斷探索“钍鈾分離”新方法對核工業可持續發展具有重要意義。

圖1 石墨炔吸附示意圖和計算結構圖。

最近，beat365beat365沈興海教授團隊系統研究了典型锕系離子（Th⁴⁺、UO₂²⁺、Pu⁴⁺、Am³⁺、Cm³⁺）、镧系離子（La³⁺、Eu³⁺、Tm³⁺）以及锶（Sr²⁺）、铯（Cs⁺）離子與石墨炔的配位和吸附作用，重點考察了f電子對配位的影響。實驗測定和理論計算發現：水溶液狀态下，石墨炔對Th⁴⁺、Pu⁴⁺、Am³⁺、Cm³⁺和Cs⁺具有顯著的吸附作用，而對UO₂²⁺、La³⁺、Eu³⁺、Tm³⁺和Sr²⁺完全不發生吸附。研究結果還表明：在不同配位狀态下，锕系離子以單離子狀态存在，而石墨炔結構則發生不同程度的形變。例如，XPS分析發現，被石墨炔吸附的Th⁴⁺的4f峰發生了明顯的位移和裂分。通過理論計算Th⁴⁺在聚集和單離子狀态下的差别，可以推斷XPS峰發生裂分是由于出現Th⁴⁺單離子态所緻。

圖2 石墨炔吸附選擇性實驗（A），石墨炔在鈾钍混合溶液中吸附選擇性檢測（B），石墨炔吸附Th4+前後XPS譜圖對比（C），Th(NO3)4與吸附在石墨炔上的Th4+的XPS峰對比。

現有方法通過泡沫銅為基底可制備石墨炔分離膜并有效實施分離。因此，基于上述研究結果并結合膜分離技術，有望實現核燃料循環領域“镧锕分離”、“锶铯分離”和“钍鈾分離”的新突破。石墨炔上單離子配位狀态的揭示，為锕系單離子磁體和催化劑的開發提供了一種新的思路和途徑，具有顯著的科學意義。此外，随着锕系離子5f層電子的變化，石墨炔的結構也會産生不同程度的形變，這一結果有助于對石墨炔自身結構特征和相關性質的深入認識。

圖3 石墨炔膜分離設計示意圖。

相關結果以“Coordination of Actinide Single Ions with Deformed Graphdiyne: Strategy on Essential Separation Processes in Nuclear Fuel Cycle”為題于2020年7月2日在線發表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202008165）。論文的第一、第二作者分别是beat365博士研究生袁天宇和熊世傑，通訊作者為beat365沈興海教授。該工作受到國家自然科學基金聯合基金重點項目的資助（項目編号：U1830202）。（beat365新聞網）