石墨炔是一种新型的二维碳材料，具有丰富的碳化学键、大共轭体系、多活性位点、特殊三角孔道结构以及优良的化学稳定性，在诸如储能材料、催化、电化学、生物传感与探测、分离等领域均有着重要的应用前景。对石墨炔结构特征的深入探究及对其应用领域的不断拓展，都将对石墨炔研究起重要的推动作用。
 在核燃料循环领域，针对特定离子间的选择性分离关系到核工业的可持续发展问题。首先，为了将高放废液中的次锕系元素转变成短寿命或者稳定的核素，从而降低或消除核废物的长期危害，研究人员提出了“分离-嬗变”的处理方法。然而，高放废液中的镧系元素会成为次锕系元素的中子毒物，严重阻碍其嬗变过程，所以“镧锕分离”对于高放废液的处理至关重要。其次，锶、铯作为乏燃料中的主要释热元素和放射性来源，在现有处理流程中通常作为污染物被共同去除。由于锶、铯本身都是制作放射源的重要原料，进一步实现“锶铯分离”对于放射性资源的合理利用意义非凡。第三，钍在核能领域的应用受到了越来越多的重视。与铀相比，钍在其使用过程中产生的长寿命次锕系元素少，并能有效防止核扩散且具有储量丰富的优势。无论在矿产资源还是钍基熔盐堆的乏燃料中，钍与铀总是共存的，因此不断探索“钍铀分离”新方法对核工业可持续发展具有重要意义。

图1 石墨炔吸附示意图和计算结构图。

最近，北京大学太阳成集团tyc9728沈兴海教授团队系统研究了典型锕系离子（Th⁴⁺、UO₂²⁺、Pu⁴⁺、Am³⁺、Cm³⁺）、镧系离子（La³⁺、Eu³⁺、Tm³⁺）以及锶（Sr²⁺）、铯（Cs⁺）离子与石墨炔的配位和吸附作用，重点考察了f电子对配位的影响。实验测定和理论计算发现：水溶液状态下，石墨炔对Th⁴⁺、Pu⁴⁺、Am³⁺、Cm³⁺和Cs⁺具有显著的吸附作用，而对UO₂²⁺、La³⁺、Eu³⁺、Tm³⁺和Sr²⁺完全不发生吸附。研究结果还表明：在不同配位状态下，锕系离子以单离子状态存在，而石墨炔结构则发生不同程度的形变。例如，XPS分析发现，被石墨炔吸附的Th⁴⁺的4f峰发生了明显的位移和裂分。通过理论计算Th⁴⁺在聚集和单离子状态下的差别，可以推断XPS峰发生裂分是由于出现Th⁴⁺单离子态所致。

图2 石墨炔吸附选择性实验（A），石墨炔在铀钍混合溶液中吸附选择性检测（B），石墨炔吸附Th4+前后XPS谱图对比（C），Th(NO3)4与吸附在石墨炔上的Th4+的XPS峰对比。

现有方法通过泡沫铜为基底可制备石墨炔分离膜并有效实施分离。因此，基于上述研究结果并结合膜分离技术，有望实现核燃料循环领域“镧锕分离”、“锶铯分离”和“钍铀分离”的新突破。石墨炔上单离子配位状态的揭示，为锕系单离子磁体和催化剂的开发提供了一种新的思路和途径，具有显著的科学意义。此外，随着锕系离子5f层电子的变化，石墨炔的结构也会产生不同程度的形变，这一结果有助于对石墨炔自身结构特征和相关性质的深入认识。

图3 石墨炔膜分离设计示意图。

相关结果以“Coordination of Actinide Single Ions with Deformed Graphdiyne: Strategy on Essential Separation Processes in Nuclear Fuel Cycle”为题于2020年7月2日在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202008165）。论文的第一、第二作者分别是北京大学博士研究生袁天宇和熊世杰，通讯作者为北京大学沈兴海教授。该工作受到国家自然科学基金联合基金重点项目的资助（项目编号：U1830202）。（北京大学新闻网）