合成后改性的冠醚基超分子框架用于高效钋（镭）截留

为何清除水中“隐形”放射性至关重要

随着核能和铀矿开采的发展，一种在环境中可持续数千年的、几乎看不见的威胁可能长期存在：溶解在水中的镭。这种放射性金属能通过地下水迁移，进入食物链，并在人体骨骼中沉积，从而增加癌症及其他健康问题的风险。本文所述论文介绍了一种新的多孔材料，像经过精细调校的海绵那样专门吸附镭，能够在许多现有过滤方法失效的苛刻、高污染条件下快速且可靠地工作。

尾矿中长期存在的麻烦源

镭‑226 是铀的衰变产物，半衰期约为1600年，意味着它在尾矿堆和废石中可长期存在，远在采矿停止之后。它在化学行为上类似钙，因此生物体可能将其误识为必需的营养元素。人体内镭可在骨骼和眼睛中积累，其放射性会随着时间慢慢损伤组织。许多现有处理方法可以从相对温和的废物流中去除镭，例如在石油和天然气生产过程中可能泄漏的轻度污染卤水。但当面对铀尾矿附近或事故情形下的高浓度镭及大量竞争性溶解盐时，这些方法就显得无能为力。

为镭设计的智能“海绵”

研究团队构建了一种基于金属–有机框架的新型吸附剂，这是一种由金属簇与有机分子连接形成的晶体骨架。他们的起始框架名为 ZJU‑X100，含有对抓取体积较大、类钙金属离子（如钡和镭）特别有效的“冠”环。科研人员随后将该框架浸入稀硫酸中，使部分金属簇上的较小甲酸根被硫酸根取代，得到改性材料 ZJU‑X100‑SO4。这个细微的改造改变了孔道形状，在关键区域增加了负电荷，并将冠环更紧密地连接到刚性骨架上，从而使整体结构更稳固，更有利于吸引带正电的离子。

多位点陷阱的工作原理

精细测量与计算模拟表明，新材料通过多步协同作用捕获镭及其替代离子钡。首先，框架总体的静电分布形成了一个“陷阱”区，大离子被吸引进入冠环的中心。那里，环腔的尺寸与镭类离子的尺寸高度匹配，使它们比体积更小的竞争离子（如钙）更易安定地停留。引入硫酸根后，邻近还会形成额外的高亲和位点；进入的离子可以同时与冠环、周围的金属簇以及这些硫酸根相互作用。多重相互作用共同将目标离子牢固地固定，比大多数竞争离子结合得更紧密，这解释了材料卓越的选择性。

将材料付诸试验

在实验室试验中，改性框架在数秒内从水中去除了超过90%的钡，并表现出非常高的总体吸附容量，优于多种黏土、沸石及其他先进材料。在以远高于典型环境活度水平的真实放射性镭溶液中测试时，它在仅10分钟内仍去除了约83%的镭。即便在存在大量无害盐类（如钠和钙）的情况下，该材料仍能保持强劲性能，并且在高酸性水体与强辐射剂量下保持稳定。这些特性表明它可能能够在铀矿排水或应急清理作业中经受住腐蚀性强、高辐射的环境。

对核废安全的意义

对非专业读者而言，关键结论是研究者们构建了一种多孔固体，其内部结构经过专门设计，可识别并捕获镭，即便在极其肮脏和苛刻的水体中亦然。通过将形状匹配的空腔与额外的结合基团及坚固的骨架结合，材料表现出选择性强、反应迅速、吸附量大且能在强酸与强辐射环境中持续工作的特性。尽管在现场部署前仍需进一步工程化，这项研究既提供了一个用于应急镭控制的实用候选材料，也为未来设计更安全的核废管理材料提供了范式。

引用: Wang, W., Tai, W., Lou, J. et al. Post-synthetically modified crown ether-based supramolecular framework for efficient radium sequestration. Nat Commun 17, 4365 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70874-6

关键词: 镭去除, 核废水, 金属有机框架, 铀尾矿, 放射性污染