近日，苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室、欧洲杯官网王殳凹教授团队合成了一例无机层状硫化锡材料（SCU-SnS），发现其可通过三种协同吸附机制，深度、长效去除低浓度单质碘，其廉价、高效的特性有望应用于实际场景。相关成果以“Superior Iodine Uptake Capacity Enabled by an Open Metal-Sulfide Framework Composed of Three Types of Active Sites”为题发表于CCS Chemistry。论文链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202201966。

放射性碘是乏燃料后处理过程中释放的气态污染物之一。放射性气态碘容易在大气中沉积，且具有极强的生物毒性以及放射性毒性，暴露在大气中会被人体吸入沉积在甲状腺内对人体造成辐射损伤。因此，在乏燃料后处理及核反应堆运行期间有效去除放射性碘不仅有利于核工业的可持续发展，更是保护公众健康的必要措施。苏州大学王殳凹教授一直致力于关键放射性核素的分离及污染控制研究，在国际上率先将COF材料应用于动态穿透体系下对碘、碘甲烷的吸附，实现了对低浓度碘蒸气、碘甲烷的高效捕获（Chem, 2021, 7, 699）。作为一类新型的多孔材料，金属有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料(COFs)虽然都表现出优异的碘静态吸附能力，然而其成本较高，在恶劣的后处理条件下稳定性有限，一定程度上限制了它们的实际应用。更重要的是，上述材料的吸附能力主要依赖于物理吸附或非共价相互作用，这导致了高温下其对低浓度碘的吸附效果不佳。此外，受益于银与碘的高亲和性，银浸渍或银交换的沸石是主要的商用碘吸附剂（图1）。然而，银的大量使用导致材料成本高昂，且存在环境污染风险。因此，寻找高效经济的碘吸附剂至关重要。

图1. 两类传统材料硫基气凝胶（i）和银基沸石（ii）的不足和本工作中锡硫化物材料碘的设计理念与结构示意图

硫基气凝胶（硫凝胶）成本低、对碘的亲和力较强，是一种很有前途的放射性碘吸附材料。然而，由于孔道分布广泛随机、硫原子排列无序，这些硫凝胶对碘的吸附动力学慢、相互作用效率弱、吸附能力有待提升。此外，气凝胶复杂、耗时的合成过程限制了其广泛的应用。在本工作中，我们理性设计并制备了一种微孔二维锡硫化合物(NH₄)₂(Sn₃S₇)用于碘的高效去除(图1)。首先，结构中的铵根离子可与碘分子形成强氢键 (N–H⋯I)从而预富集碘；其次，软路易斯碱S²⁻能捕获路易斯酸I₂并将I₂还原为I⁻；第三，Sn⁴⁺能进一步与I^-形成碘化物沉淀，从吉布斯自由能的角度看，Sn⁴⁺比Ag⁺更倾向于发生碘化反应。

在静态碘吸附实验中，SCU-SnS表现出极高的碘吸附容量，达6.12g/g，是目前已报道的静态吸附容量最高的无机吸碘材料。此外，在高剂量的辐照下，该材料对于碘的吸附容量几乎不变。动态吸附实验证实：在75℃下，SCU-SnS在低浓度碘（400 ppm）穿透实验中表现出对碘长达100小时的阻滞能力，是目前已报道材料中阻滞时间最久的，表明该材料突出的长效深度去除能力。此外，其对于高温（75℃）低浓度碘（400 ppm）条件下的最高吸附容量可达2.12g/g，刷新了目前材料对在该条件下对碘的吸附记录（图2）。

图2. SCU-SnS的静态吸附实验、动态穿透实验数据以及不同材料的吸附容量对比图

研究人员进一步通过先进谱学深入探究吸附机理。拉曼光谱表明吸附后的碘主要以I₃^-的形式存在，此外，在218 cm^-1观察到S-S的振动峰进一步表明吸附过程中S^2-与I₂发生了氧化还原反应，并生成了单质硫。X射线衍射分析表明吸附后的产物中有SnI₄。基于此，我们推断该吸附过程的反应为(NH₄)₂Sn₃S₇+I₂→NH₄[I⁻•I₂]+SnI₄+S₈。X射线光电子能谱也同样表明结构中的铵根离子与碘存在一定的作用力（图3）。值得一提的是，该材料具有可大量合成、原料廉价、反应简单的优点，有望进一步推广应用。

图3. SCU-SnS的吸附碘的机理分析

苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室核能环境化学研究中心博士研究生张瑜港、何林玮、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学先进膜技术与多孔材料中心潘婷婷博士为本文共同第一作者，苏州大学王殳凹教授、陈龙副研究员和阿卜杜拉国王科技大学韩宇教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省研究生科研创新项目等基金的支持。