核能的可持续发展在很大程度上依赖于核废料的安全管理。从核反应堆卸出的乏燃料（从反堆内卸出的核燃料由于铀含量降低，无法继续维持核反应，被称为“乏燃料”）是由一系列锕系元素(Ans)组成，如U、Pu、Np、Am和Cm以及多种裂变产物。为了最大限度地回收可用核资源，减少核废料的长期危害，国际范围内提出了先进的“分离—嬗变(P/T)”核燃料闭式循环策略。此策略中，所有的长寿命锕系元素(U、Pu、Np和Am)都需要在核反应堆中被分离，然后在核反应堆中回收，或者在快中子反应堆或加速器驱动次临界系统(ADS)中发生嬗变。策略的核心是将这些长寿命的锕系元素从裂变产物中分离出来，特别是镧系元素(Lns)，因为这些4f元素是裂变产物的主要成分，并且具有高中子吸附截面，这将显著降低锕系元素的嬗变效率。然而，锕系元素与镧系元素的分离是相当具有挑战性的，因为锕系元素和镧系元素都是f区元素，且具有较大化学复杂性。此外，极端条件如高酸性(如3.0 mol/L硝酸)和强电离辐射场(α， β， γ和中子辐照等)进一步使此挑战加剧。虽然著名的PUREX工艺中已经很好地实现了U和Pu的回收，回收Np和Am仍面临很大的困难。对此，进一步提出了锕系元素萃取(GANEX)概念，通过单步分离从高酸性乏燃料溶液中同时通过Am回收U，旨在未来的燃料闭式循环中实现这些锕系元素的均匀回收。许多依赖于溶剂萃取的技术被用于实现这一分离概念。迄今为止，探索最多的是EURO-GANEX工艺，该工艺基于多种氧化态(U(VI), Pu(IV), Am(III)等)锕系元素的共萃取利用二甘醇酰胺配体从水溶液中分离出三价镧系元素，然后使用含软氮供体的配体从镧系元素中选择性分离出锕系元素。尽管EURO-GANEX工艺的发展已取得重大进展，但其缺点是需要大量串联的萃取/洗涤/剥离阶段，需要对有机溶液和水溶液的化学条件进行严格控制，可能会阻碍其工业应用。而实现基团分离的另一种方法是将锕系元素一起氧化到它们的高价氧化态，然后将它们与镧系元素分离。除了性质稳定的U(VI)外，超铀元素Np、Pu和Am在强氧化条件下也能被氧化为+V或+VI氧化态，并以线性锕基离子([O = AnV = O]+或[O = AnVI = O]2+)的形式存在。镧系元素除Ce以Ce(IV)稳定存在外，其余均以+III氧化态存在。高价锕系元素与三价/四价镧系元素在电荷密度和空间构型方面的显著差异为Ans/Lns的高效分离提供了机会。然而，高价Am的不稳定性给这种分离方法在实际应用中带来了很大的挑战，因为Am(V)和Am(VI)易于被用于分离的有机试剂或自辐射裂解产物还原为Am(III) (Am(VI)/ Am(III)和Am(V)/Am(III)的还原电位分别为+1.7 V和+1.74 V vs NHE)。因此，在以前的研究中，从镧系元素中分离高价Am和其他锕系元素是不切实际的，锕系元素/镧系元素的基团分离仍然是一个重大的挑战。众所周知，多孔碳材料具有窄的孔/通道尺寸分布，特别是在亚纳米范围内，这在分离技术中具有巨大的利用潜力。在这些材料中，由氧化石墨烯纳米片制成的多层氧化石墨烯膜(GOMs)因其具有机械稳定性、尺寸可控和易于制造等优点近年来受到了广泛关注。具有独特纳米层结构的GOMs已被成功制备，其层间距可以通过物理限制和阳离子插层等方法进行调节。可调的尺寸效应使这些GOMs在纳滤和脱盐等应用中具有优势。本工作提出了一种新的策略来解决高酸性条件下通过离子筛分在氧化石墨烯膜中进行锕系元素/镧系元素基团筛分的挑战。此策略中(图1a)，含有多种锕系元素(U, Np, Pu, Am)和镧系元素的溶液被高氧化试剂处理，所有锕系元素被氧化为线性二氧锕基离子，而镧系元素(Ce, Nd, Eu, Gd等)仍然是球形离子。两组元素在空间构型上和离子尺寸上有很大的差异(图1b)，锕系/镧系离子基团的相互分离是利用特定孔/通道尺寸的氧化石墨烯膜基于两者离子尺寸差异进行筛选实现的。图 1. 膜内离子筛分镧系锕系元素。a.基于离子筛分策略进行锕系/镧系元素分离的示意图；b.代表性的镧系和锕系离子（SI Note 1内提供了尺寸计算和相关讨论）
图 2. 氧化石墨烯纳米片和膜的表征。a.氧化石墨烯纳米片的AFM图，内图指沿白线的高度图；b.基底膜上的氧化石墨烯膜的SEM截面图；c.氧化石墨烯膜的SEM截面图；d.氧化石墨烯膜的数码图片；e.氧化石墨烯膜的XPS图；f.在3.0 mol/L的HNO3内浸泡后的干/湿氧化石墨烯膜的XRD图
图 3. 氧化石墨烯膜内的镧系锕系离子筛分。a-c.镧系和锕系元素渗透筛分装置图以及相应的渗透百分比与时间和元素的函数关系图; d-f.镧系和锕系元素通过萃取辅助的渗透筛分装置图以及相应的渗透百分比与时间和元素的函数关系图；g-l.镧系和锕系元素通过氧化/萃取辅助的渗透筛分装置图以及相应的渗透百分比与时间和元素的函数关系图（数据由每种离子进行单独的筛分实验获得，【注】每个离子的价态仅表示所需条件下的主要氧化态，筛分过程中还可能存在其他氧化态）
图 4. 氧化石墨烯膜用于混合镧系/锕系废液的分离结果。废液由U、Np、Pu、Am、Ce、Nd、Eu、Gd的3.0 mol/L HNO3组成; 分离时间为24 h。
图 5. 氧化石墨烯内的镧系/锕系离子可能的渗透路径示意图。虚线方格代表氧化石墨烯片上的小孔，箭头显示氧化石墨烯内可能的渗透路径。
文献来源：Ion sieving in graphene oxide membrane enables efficient actinides/lanthanides separation. DOI: 10.1038/s41467-023-35942-1.