近日，青海盐湖研究所溶液结构与界面课题组（周永全研究员团队）在盐湖铯资源的选择性分离上取得新进展。研究成果在Chem. Eng. J.（一区TOP）和J. Environ. Chem. Eng. （二区TOP）发表，青海盐湖研究所为第一单位，Ikram Muhammad助理研究员为论文第一作者。

稀碱金属铯(Cs)是重要的战略资源，其在盐湖卤水中的储量可观，研究从盐湖卤水中提取分离Cs的工艺有很大的应用前景。然而，目前还无规模化的从盐湖卤水中提取Cs的方法。由于碱金属族离子的物化性质十分相似，Cs+常与其他离子（如K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）伴生共存，因此高效地从盐湖卤水中提取分离Cs+有一定的挑战性。离子交换与吸附法因具有成本效益高、操作简便且二次废物产生量少等优势，被视为稀散元素铯分离的理想策略。然而，传统方法面临的选择性不足及水环境中结构稳定性差的缺陷，限制了其广泛应用。过去20年间，金属有机框架衍生材料凭借其可控的形貌结构与可调孔隙率，成为极具潜力的候选材料。但常规高温煅烧转化法（400–900°C）在将金属有机框架转化为金属氧化物/硫化物时，常导致结构完整性受损，引发颗粒团聚、比表面积下降及活性位点包埋等问题，最终显著降低材料吸附容量。为突破上述局限，中国科学院青海盐湖研究所溶液结构与界面课题组（周永全研究员团队）提出了一种新型溶剂热刻蚀策略。该创新方法通过优化热处理条件直接调控MOF衍生材料的结晶度，提升了孔隙可率、促进了离子扩散，还通过构建缺陷结构、调控配位位点、扩大比表面积及杂原子掺杂（如氮掺杂）等策略实现材料特性的定向工程。这些协同改性有效调节了材料的电子电导率，显著增强了其离子捕集能力。

基于上述策略，将十二面体ZIF-8定向转化为无碳氮掺杂氧化锌棒（HNZOR），并进一步将其转化为硫化锌球（HNZSS）。与传统煅烧方法相比，该方法有效抑制了金属团聚，充分暴露活性位点，并形成了具有高表面积的非晶区域（HNZOR为203.9 m²/g，HNZSS为61.7 m²/g）。这些特性协同增强了传质能力，并在吸附剂骨架中形成强结合力，从而实现了优异的吸附性能。K⁺活化后的吸附剂（KNZOR和KZNSS）展现出快速吸附动力学和高吸附容量（分别为275 mg/g和302 mg/g），克服了竞争离子干扰，在复杂环境中对Cs⁺具有优异的选择性。在实际水样中，它们表现出卓越的吸附效率，KNZOR和KZNSS的分配系数（Kd）分别达到2061.85 mL/g和2578.31 mL/g。在实际柱操作中，KNZOR和KZNSS在连续流条件下可实现近定量（约99%）的Cs⁺回收。研究结果以“In-situ sequential topotactic transformation of ZIF-8 to N-doped Zn-oxide/ sulfide with defect engineering for efficient radiocesium capture” 为题发表于Chem. Eng. J.（一区TOP）。

图 1. 材料制备、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，以及密度泛函理论（DFT）计算和展示的铯吸附过程示意图

在另一项工作中，通过层层自组装双金属金属有机骨架（MLF）衍生出具有高孔隙率和大比表面积的稳健K+离子导向金属硫化物（KCoZnS）纳米片（NSs），实现了酸性介质中Cs+离子的快速选择性捕获，并展现出优异的稳定性和耐辐射性。KCoZnS具有出色的离子交换容量（qe ≈ 400 mg/g）、高去除率（约93%）和较大的分配系数（3.09×10⁴ mL/g）。此外，该离子交换过程简便且可逆，洗脱效率超过99%。通过XRD、XPS、EDS并结合密度泛函理论（DFT）计算，证实并阐明了Cs+与KCoZnS层间的相互作用。KCoZnS对Cs+的高吸附容量和优异选择性可归因于其卓越的离子交换性能、结构柔韧性以及软碱S²⁻与软酸Cs+之间的配位作用（Cs-S键）。该研究展示了一种利用MOF衍生金属硫化物实现高效Cs+捕获的新路径。研究成果以“Metal organic frameworks derived novel metal sulfide (KCoZnS) nanosheet as an efficient collector for cesium ions”为题发表于J. Environ. Chem. Eng. (二区TOP)发表。

图2. ZIF-8、MLF 和 KCoZnS 的合成示意图

研究揭示了从金属有机框架前驱体制备无机金属氧化物/金属硫化物材料的新路径，并实现了对盐湖铯离子的选择性捕获。所阐明的辨识吸附机理与补充的MOF材料库可为开发用于高效分离目标放射性核素的新一代无机吸附材料提供指导，对盐湖稀散元素资源的绿色开发利用具有重要意义。
研究工作得到青海省优秀青年科学基金（2025-ZJ-967J）、中国科学院青海盐湖研究所（E355HX01）和中国科学院青海盐湖研究所青年团队项目（ISLJCTD-2022-04）的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172943 
https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.119802 

审核：葛飞