[发明专利]二维过渡族金属碳化物纳米片作为放射性核素吸附剂的应用

说明书

技术领域

本发明涉及过渡族金属碳化物层状陶瓷材料技术领域，具体涉及二维过渡族金属碳化物作为放射性核素吸附剂的应用，可应用于核能系统乏燃料处理、污水治理等技术领域。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，我国对能源的需求不断增加，而煤、石油等不可再生能源却日益枯竭，能源紧缺问题已经成为制约我国经济进一步发展的瓶颈。为了保障能源安全以及控制全球变暖，开发利用核能是一种有效手段。按照国务院批准的《核电中长期发展规划(2005-2020)》，2020年核电将会达到我国发电总量的4％。但是人们在开发利用核能的同时，会产生大量的乏燃料，我国目前运行的核电机组每年约产生370吨乏燃料，而2020年之前建成的所有的反应堆和在建的18个反应堆，产生的乏燃料将达到8万多吨。这些乏燃料中含有大量的高放射性废物(简称高放废物)，其中的放射性核素钚、镎、镅、锝、锶、铯等放射性强、而且毒性巨大、半衰期很长，如果进入我们的生存环境，其危害性极大，并且很难消除。因此高放废物的安全处置不仅关系到核电的健康发展，也影响人类的生存环境和子孙后代的福祉。

对于如何处置高放废物，国内外有多种方案，目前普遍可以接受的执行方案是进行深地质处置，即把含有高放射性核素的核废物埋藏到较深的地质体中，使之与人类的生存环境永久隔离。但这种处置方式不仅浪费了核废料中大量未反应的核燃料(如U-238、U-235)，也存在一定的安全隐患。例如，位于德国下萨克森的阿西二号盐矿储存了1967年到1978年间的放射性核废物，但有研究指出，该储存所自1988年以来一直在泄露被铯、钚和锶等核素污染的盐水。

近年来，纳米材料受到广泛重视。与普通块状材料相比，纳米尺寸使这种材料具有更大的比表面积和更多的表面原子，因而显示出较强的吸附性能，并可在较短的时间内达到吸附平衡。而且，纳米材料还能被功能化，使得其吸附性能有可能超过其他吸附材料，因而是一种较为理想的固相萃取材料，可用于核废料的处置。

目前，世界多国对功能性纳米材料在核素高效富集、分离、回收等方面的应用进行了研究。澳大利亚昆士兰技术学院朱怀勇教授发现形貌为纳米管和纳米纤维的钛酸盐(Na₂Ti₃O₇)对于I-和Cs⁺离子有超强的吸附特性，如当Cs⁺离子浓度为250ppm时，钛酸盐纳米管可将80％的Cs⁺离子除去(D.J.Yang,etal.,Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,10594)。中科院等离子体所王祥科课题组率先将高比表面的碳纳米管材料应用于锕系离子的吸附和富集，研究者发现Am(III)可以通过化学吸附或者配位的方式同碳纳米管表面的功能团相互作用，85％的Am(III)离子可被吸附固定(X.K.Wang,Environ.Sci.Technol.,2005,39,2856)。中科院高能所石伟群课题组研究了氧化石墨烯(GO)对U(VI)核素的吸附行为，发现石墨烯表面的含氧官能团对于铀酰根的配位起到关键作用，在pH＝4时氧化石墨烯对U(VI)的吸附容量可达299mgg^-1(Z.J.Li,etal.,ChemicalEngineeringJournal,2012,210,539)。

发明内容

新型二维过渡族金属碳化物纳米片，即MXene，是一族近年来发现的具有二维片层结构的陶瓷材料，其来源于三元层状金属陶瓷M_n+1AX_n相(n一般为1～3，M为过渡金属元素，A为主族元素，X为C或N，简称MAX相)，可通过将MAX相中结合较弱的A位元素(如Al原子)抽出，得到这种层状的过渡族金属碳化物M_n+1X_n材料。