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照成辐射损伤。因此，在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，更是保护普通公众的身体健康的关键一步。苏州大学王殳凹教授一直致力于关键核素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，然而其成本高，在恶劣的再处理条件下中等的稳定性等因素严重限制了它们的实际应用。更重要的是，它们的吸附能力主要依赖于物理吸附或非共价相互作用，这导致了高温下低浓度碘的吸附效果不佳。此外，受益于银与碘的亲和反应，银浸没或银交换的沸石工业中商业使用的吸附剂。然而，银的广泛使用导致了高成本，伴随着不可避免的环境人为污染。因此，寻找更多高效经济的吸附剂在动态条件下去除放射性碘至关重要。
硫基气凝胶（硫凝胶）由于其低成本和硫对碘的强亲和力，是一种很有前途的放射性碘吸收剂。然而，由于随机和广泛分布的纳米孔和任意排列的硫原子，这些硫凝胶表现出吸附动力学慢，相互作用效率弱，吸附能力不足。此外，气凝胶的复杂和耗时的合成过程限制了其广泛的应用。在本工作中，我们合理设计并制备了一种微孔二维锡硫化合物(NH4)2(Sn3S7)(图1)。首先，结构中的铵根离子可以提供氢原子与碘分子形成强氢键 (N–H⋯I)从而达到浓缩碘的目的，其次，软路易斯酸离子S2−能够通过路易斯酸碱对的形式捕获I2并形成提供I−。第三，Sn4+被证明是一种优秀的I2吸收剂，形成碘化物沉淀时，具有更高沉积能力（1:4），优于Ag+。
图1. 两类传统材料硫属气凝胶（i）和银基沸石（ii）的缺陷和本工作中锡硫化物材料碘的设计理念与结构示意图
在静态碘吸附实验中，该材料表现出超高的吸附容量，达6.12g/g，是目前已报道的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。最重要的是，在75℃下，该材料在低浓度碘（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最久的。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的静态吸附实验与动态穿透实验数据以及与已报道材料的吸附容量对比
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S2-与I2发生了氧化还原反应。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，该材料具备大规模制备，原材料廉价，反应简单的特点，为进一步的工业化应用提供可能。
图3.SCU-SnS的吸附碘的机理分析
相关工作发表在中国化学会旗下期刊CCS Chemistry (https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202201966)，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、阿卜普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一作，苏州大学王殳凹教授、副研究员陈龙博士和阿卜普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。