Ni、Fe杂质在LBE中的化学行为的深度势能分子动力学研究

液态铅铋共晶(LBE)与结构材料的相容性,是其在先进反应堆中应用的难题之一。实验方法研究材料腐蚀产生的杂质原子在LBE中的扩散性质等化学行为较为困难,而传统的理论计算包括密度泛函理论(DFT)和经典分子动力学(MD)方法分别存在模拟尺度与模拟精度的限制。为了解决这一问题,本文采用近年提出的基于DFT计算、机器学习和深度神经网络的深度势能(DP)力场训练方法。该方法通过DFT计算生成数据集进行深度学习,得到能准确描述原子间作用力的DP模型。使用DP模型进行MD模拟,既能具有DFT的精度也能进行大体系和长时间尺度的模拟。本文研究了杂质原子Ni、Fe在LBE中的微观结构和扩散系数,同时计算了LBE的密度、热容、黏度等热物理性能参数。结果表明,杂质原子与Bi原子有更强的作用力,温度升高,原子间的作用力减小,两种杂质原子有着相似的配位情况,但Ni原子的配位数(CN)分布较为分散,Fe的CN较为集中,Ni相对于Fe在LBE中有更快的扩散速度。预测的密度、热容、黏度等热物理性能参数与实验结果吻合良好,并且优于经典力场MD的结果。

超钚元素化合物共价性的理论研究进展

超钚元素的物理化学性质十分相似,其相互分离极其困难。一般认为超钚元素的氧化态通常为+3,且性质接近镧系元素。然而近年来的相关研究发现,Bk、Cf元素化合物比Pu、Am、Cm化合物具有更强的共价相互作用。由于超钚元素毒性高、放射性强且大部分为短寿命核素,实验制备和表征十分困难,相关实验数据尤为匮乏。目前理论计算已成为了解超钚元素物理和化学性质的重要手段。本文主要介绍近年来超钚元素(主要为Am、Cm、Bk、Cf)化合物成键性质方面的理论研究进展。

锕系金属掺杂硼团簇AnB_(7)(An=Ac、Th、Am、Cm)的理论研究

通过金属掺杂,硼团簇可以表现出特殊的结构特征和化学性质。尽管主族金属、过渡金属和镧系金属掺杂的硼团簇已被相继报道,但目前锕系金属掺杂的硼团簇研究相对较少。本工作使用密度泛函理论(DFT)预测了一系列锕系金属掺杂硼团簇AnB_(7)(An=Ac、Th、Am、Cm)。理论计算表明,其能量最低的结构分别为C_(6)v AcB_(7)、C_(2)v ThB_(7)、C_(2)v AmB_(7)和C_(6)v CmB_(7),且均为半夹心构型。在每个AnB_(7)体系中,B_(3)-7具有六个离域的π电子和六个离域的σ电子,均为双重芳香性团簇。成键性质分析表明Am-B和Cm-B键的共价相互作用强于Ac-B和Th-B键。此外,这些硼团簇均非常稳定,且AmB_(7)和CmB_(7)稳定性更高,而共价相互作用是影响AnB_(7)稳定性的重要因素。本工作丰富了锕系金属掺杂的硼团簇的种类,并为设计锕系金属掺杂硼团簇材料提供了理论基础。

高稳定磺酸化三维共价有机框架材料的设计构筑及其对U(Ⅵ)的吸附

从废水中分离回收U(Ⅵ)对放射性环境治理以及核工业发展具有重要意义。随着共价有机框架材料(COFs)的不断发展,越来越多的COFs材料被用于放射性核素的吸附分离。然而对于三维共价有机框架材料(3D-COFs)而言,由于分子构筑单元及拓扑连接方式有限,使得其在性能和应用上受到诸多限制。本工作运用键转化与后接枝相结合的方法,制备一种基于胺键的磺酸功能化3D-COF材料(COF-320-H_(2)SO_(3))用于水溶液中U(Ⅵ)的吸附去除。通过多种表征手段对其结构和性质进行了表征,并系统研究了COF-320-H_(2)SO_(3)对U(Ⅵ)的吸附行为。研究结果表明:亚胺键向胺键的转化显著提升了COFs材料的化学稳定性,同时具有亲水性和强配位能力的磺酸基的引入使材料对U(Ⅵ)吸附能力明显增强,即使在3 mol/L的HNO3条件下,对U(Ⅵ)的吸附容量仍保持在40 mg/g以上。本工作进一步展示了COFs材料特别是3D-COFs材料在分离放射性金属离子方面所展现的潜在应用价值。

铀、锆以及铀锆合金精确原子间势的深度学习

铀锆合金作为一体化快堆的重要核燃料,使用先进的计算方法研究其高温下的基础物理性质意义重大。使用深度势能分子动力学方法分别计算了体心立方铀、锆和铀锆合金材料的基础物理性质,该方法兼具第一性原理的高精度和经典分子动力学的高效率。首先,通过使用深度神经网络机器学习训练了体心立方锆(Zr-BCC)、体心立方铀(U-BCC)和体心立方铀锆合金(U-Zr(BCC))的深度势能(DP)模型,其预测的平衡状态方程、晶格常数、弹性性质和声子谱能够达到第一性原理的精度。接着,使用DP模型预测了Zr-BCC、UBCC和U-Zr(BCC)的恒压热容和密度随温度的变化,并且结果能够很好地与实验值吻合。该研究结果表明机器学习方法为成功探索更复杂的核燃料性质提供了重要的路径。

铝合金化技术在乏燃料干法后处理中的应用研究进展

干法后处理在未来先进核燃料循环中将发挥关键作用。由美国开发的熔盐电精炼流程是目前最具应用前景的干法后处理流程之一,但是锕系元素(An)与镧系元素(Ln)的高效分离仍然是该流程目前亟待解决的关键科学与技术问题之一。研究表明,An与Ln形成铝合金时沉积电位差较大,采用固态铝电极电解有望实现An与Ln的有效分离,从而更好地服务于分离-嬗变策略。本文针对铝合金化技术在乏燃料干法后处理中的应用研究进展进行综合阐述,重点介绍铝合金化在熔盐电精炼中的应用研究,主要包括Ln和An的铝合金化行为、An和Ln的铝合金化分离等几个方面。

锕系金属(铀和锔)内嵌硼球烯的理论研究

最近发现的全硼富勒烯(硼球烯,D_(2d) B^(-/0)_(40)),开启了硼球烯化学研究的新篇章。类似于富勒烯,金属掺杂也是硼球烯修饰和功能化重要途径。本工作采用密度泛函理论预测了一系列锕系金属掺杂硼球烯[An@B_(39)]^(n+)(An=U,n=3;An=Cm,n=2)。理论计算表明,这些硼球烯均为稳定的金属内嵌硼球烯,其中[U@B_(39)]^(3+)的能量最低,结构具有C_(3)对称性,而[Cm@B_(39)]^(2+)为C_(1)结构。成键性质分析表明,[U@B_(39)]^(3+)和[Cm@B_(39)]^(2+)均存在σ和π离域键。另外[An@B_(39)]^(n+)中U-B键的共价相互作用强于Cm-B键,且[U@B_(39)]^(3+)较[Cm@B_(39)]^(2+)更稳定。因此,An-B键的共价特征对于这些锕系金属内嵌硼球烯的形成是必不可少的。本工作扩展了硼球烯体系,并为新型稳定金属内嵌硼球烯的设计提供了理论线索。

海水提铀吸附材料及官能团配位机理研究进展

铀是核工业发展中最重要的元素之一,但陆地铀资源有限难以满足核工业的发展需求,而海水中蕴含着丰富的铀资源,因此如何从海水中提取铀备受关注.然而由于海水条件复杂且铀浓度极低,从海水中提取铀面临着很多挑战,国内外诸多学者对此进行了大量研究,目前已经开发出多种分离富集方法,其中吸附法已被较广泛应用于海水提铀中.本综述重点介绍了近年来开发的海水提铀吸附材料,包括无机材料、有机材料、无机−有机杂化材料,主要从材料的吸附能力、选择性、抗菌性、稳定性、可回收性以及制备成本等方面进行分析,另外对偕胺肟和羧基等典型官能团以及近年来报道的其他代表性官能团与铀酰离子的配位机理进行总结分析,同时对未来海水提铀材料的发展进行了展望.

超铀金属有机化学研究进展

锕系金属有机化合物因其独特的电子结构和成键性质而备受关注.锕系元素的高毒性和放射性以及对水和氧的超敏感性造成锕系金属有机化合物的合成条件及表征手段都比较苛刻.而超铀元素的获取途径更为严苛,加之极其强的放射性,超铀金属有机化合物的研究报道甚少.近年来,随着合成技术及表征技术的快速发展,一些结构新颖的超铀金属有机化合物被合成,通过对其电子结构、成键模式及理化性质的研究进一步加深了对超铀元素的认识和理解.综述了近年来超铀金属有机化合物的合成及其成键性质的研究,以期为系统地理解超铀元素的电子结构和成键规律以及合成结构新颖的超铀金属有机化合物提供指导.

饱和碳配体铀化合物的结构及成键性质研究

铀化物的合成已成为金属有机化学领域的研究热点之一。相比于过渡金属化合物,铀化物的合成与分离极具挑战性,尤其是包含铀碳键化合物。碳卡宾具有孤对电子易与铀的空轨道成键,而苄基或烷基中的碳无孤对电子,难以与铀结合,所以饱和碳配体铀化合物的研究较少。随着人们对铀独特的电子结构与成键性质的研究,基于饱和碳配体铀化合物研究取得了一些进展。本综述系统总结了饱和碳配体与不同价态的铀(+3、+4、+5和+6)形成化合物的结构以及成键性质。

异质金属竞争配位用于混合配体型氯代异烟酸铀酰配合物的合成调控

本工作从基于2,6-二氯异烟酸(H-2,6-dcpca)和2,2′-联吡啶(2,2′-bpy)混合配体的卤代异烟酸铀酰配合物((UO;)(2,6-dcpca);(2,2′-bpy))出发,通过进一步引入第二金属中心(Ag;、Zn;和Cu;)进行竞争配位,实现了对这一混合配体型氯代异烟酸铀酰配合物的结构调控,并成功合成了六种新型混合配体型异质金属铀酰配合物。单晶结构分析表明,这些异质金属节点具有不同的配位行为,可以参与2,2′-bpy和[2,6-dcpca];配体的竞争配位并改变铀酰中心的配位环境,导致最终形成的水热产物具有不同铀酰配位模式和化学结构。同时,由于晶体结构的不同,这些化合物在超分子晶格中的弱相互作用和晶格堆积方式也表现出较大变化。通过第二金属中心的竞争配位策略,实现了混合配体型铀酰配合物中铀酰配位模式的调控及多种异质金属铀酰化合物的制备,证明了基于多重竞争配位的合成调控策略的可行性,并有望在未来用于更多的功能性锕系-有机杂化材料的合成。

不同N源无定形TiO2/g-C3N4光催化还原Re(Ⅶ)性能

为探究不同N源对无定形TiO2/g-C3N4(TCN)复合材料光催化还原Re(Ⅶ)的影响,通过热分解不同前驱体(尿素Urea、硫脲Thiourea和三聚氰胺Melamine)制备g-C3N4,再分别与无定形TiO2复合,制备了三种TCN复合光催化剂。通过不同分析手段对材料进行表征,并比较了不同TCN复合材料光催化还原去除Re(Ⅶ)的活性差异。结果表明,U-TCN(尿素为N源)具有更均匀的表观形貌,最大的比表面积(474m2/g),最优异的光吸收性能,对Re(Ⅶ)的光催化还原效率(90%)明显高于T-TCN(20%)和M-TCN(15%)。通过复合材料的瞬态光电流和电化学阻抗(EIS)分析光催化机理,证明U-TCN光生电子空穴分离效率最高;电子顺磁共振波谱(EPR)分析表明U-TCN产生的羟基自由基(×OH)更多,因此与甲酸反应产生的强还原性·CO2^-自由基更多,从而更有利于Re(Ⅶ)的还原;利用同步辐射X射线吸收光谱分析Ti元素价态及配位环境,表明U-TCN还具有优异的光化学稳定性。本研究揭示了不同N源对所制备TCN复合材料光催化性能的影响,并发现了一种可用于实际废水中光催化还原去除Tc(Ⅶ)的优选材料。

DFT模拟铂催化肼的分解过程

采用杂化泛函B3LYP对溶液环境Pt催化N2H4分解过程中N—N断键、N—H断键过渡态结构进行模拟计算和IRC验证,并对反应物、产物等结构进行了几何优化。结果表明:得到了中性、酸性溶液条件下N—N断键以及N—H断键过渡态结构及其热力学数据;酸性条件有利于N—N断键,随着溶液酸性增强,N—N断键越容易;N原子上的H原子会被H2O吸引而偏转,导致酸性条件N—N断键过渡态结构发生变化;酸性溶液中N—H断键受到H+抑制影响较大,能垒与中性溶液相比有大幅度升高,且会发生N—H断键逆反应。

LiCl熔盐中直接电解还原制备Ce-Ni/Zn/Bi合金

在923K、LiCl熔盐中,通过两电极体系直接电解还原CeO_2-5NiO、CeO_2-2.5Bi_2O_3、CeO_2-5ZnO三种混合氧化物制备相应的金属间化合物。从热力学上计算了3种混合氧化物的理论分解电压,并采用循环伏安法研究其电化学行为,验证了电解还原的可行性。结果表明,3种混合氧化物分别在3.2V被直接电解还原4h,NiO、Bi_2O_3、ZnO均能在CeO_2发生还原反应前生成对应的金属单质,然后促进CeO_2还原。得到的电解产物分别为CeNi_5/Ni、CeBi/Bi、CeZn_5/Ce_3Zn_(22)/CeZn_3。3种电解产物的微观形貌分别为絮状、堆积状和块状。

X射线吸收谱学在锕系环境放射化学中的应用

锕系环境放射化学对于核废料尤其是高放废物的安全处理和处置至关重要,同步辐射技术尤其是X射线吸收谱学在解析锕系元素在不同介质表面的配位结构方面可以发挥关键作用,对于理解锕系元素在环境介质中的迁移转化行为意义重大.本文综述了近年来国内外利用X射线吸收谱学研究锕系元素环境化学方面的最新进展,主要包括锕系核素在不同地质条件下的迁移和转化以及微生物对核素迁移的影响等方面.

锕系氮化物燃料性质的第一性原理模拟研究进展

锕系氮化物作为未来先进核能系统中的重要候选核燃料近年来备受科学界关注.由于锕系元素具有放射性和化学毒性,在实验上开展锕系元素相关的研究工作通常受到诸多条件限制,因此,对锕系氮化物的结构和性能作出前瞻性的理论预测具有重要意义.本文在分析和归纳大量文献的基础上,结合本实验室在锕系氮化物第一性原理计算方面的研究结果,从以下4个方面总结了当前国内外在锕系氮化物理论研究方面的工作进展:理论模拟方法发展、基态电子性质、相变和结构缺陷形成及扩散行为,以期为氮化物燃料的实验研究和应用提供理论参考.另外,本文还归纳了当前锕系氮化物研究中亟需解决的科学问题.

二价双核铀聚吡咯配合物结构设计和铀-铀多重键的理论研究

经三十余年努力,二价铀溶液化学于近年取得突破性进展,Evans和Meyer等成功获得两个可通过X-ray晶体衍射表征结构的有机金属铀(Ⅱ)配合物.为进一步拓展U~Ⅱ配合物化学和探索可能存在的金属多重键,设计双核配合物[(U~Ⅱ)_2(L)](L为八齿氮供体低聚吡咯大环四价阴离子),并使用相对论密度泛函理论优化其可能的电子自旋态异构体结构和计算相关性质.结果表明,[(U~Ⅱ)_2(L)]具有三重态基态,其电子组态为π~4σ~2δ~2;U(5f)原子轨道对高占据分子轨道有重要贡献;它的U—U键长为2.33?、Mayer键级为3.89和对应的伸缩振动频率为259 cm^(–1),被指认为U—U弱四重键.这一结论与QTAIM(quantum theory of atoms in molecule)的U—U键临界点处的电子/能量密度拓扑分析结果相一致.与不同氧化态铀同类物[(U^m)_2(L)]^(n+)(m=ⅡI,n=2;m=IV,n=4)比较显示,随着铀氧化态增大,U—U距离增长、键级变小、伸缩振动频率变小,金属铀电子自旋密度与常规预期值的差值(?SU)增大;结合分子轨道和QTAIM参数分析,发现金属氧化态可以调控配体和金属轨道能级匹配程度和改变金属-金属多重键.

氯化钆在熔盐LiCl-KCl中的电化学性质

研究了熔盐LiCl-KCl中Gd3+在钨电极上的电化学行为,采用改进的开路计时电位法和计时电位法研究了Gd3+/Gd氧化还原反应的热力学和动力学性质.结果表明,Gd3+在钨电极上的还原为一步还原,计算得GdCl3在熔盐LiCl-KCl中的摩尔生成焓和熵分别为-1030.475 k J/mol和-198.2 J/K,691 K温度下扩散系数为0.62×10-5 cm2/s.

面向核废料处理和环境去污的99TcO4-分离进展

锝-99(Tc-99)是核废料和高放射性废物中污染问题最大的放射性核素之一,其在核废料处理和环境去污领域具有重要的研究意义。本文对目前用于99TcO4-分离的方法及其最新研究进展进行了概述和总结,并结合自身研究成果提出了一类全新的固相超分子识别分离理念,即通过在柔性分子骨架中引入99TcO4-阴离子的特异性识别位点,实现交换后进入晶格中的TcO4-可以被其识别位点高效识别和捕获。文中也对各种分离方法进行了比较和分析,并对未来99TcO4-分离领域发展过程中亟待解决的问题进行了展望。

两种硫酸根介导的铀酰-葫芦脲配位聚合物的合成、结构和理化性质表征

本文通过引入小分子竞争配体,利用高温水热法成功合成了两种新的硫酸根介导的葫芦脲铀酰配合物(UO2)2(CB5)(SO4)2(H2O)2·5H2O (U-CB5-SO4)和(UO2)(CB6)0.5(SO4)(H2O)·4H2O (U-CB6-SO4).通过单晶X射线衍射、粉末衍射(PXRD)、热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和荧光光谱(FL)对配合物进行表征,解析了配合物的结构并研究了它们的理学性质. U-CB5-SO4属于正交晶系,空间群为Pnma, U-CB6-SO4属于单斜晶系,空间群为I2/m. U-CB5-SO4晶体在a轴上是折线形的走向,晶体为黄色风车形多棱柱多晶,而U-CB6-SO4晶体在a轴上是直线形,晶体为较长的黄色棒状单晶.本文提出了一种"竞争配体"用于介导复杂体系配位合成的新思路,同时丰富和发展了铀酰-葫芦脲-硫酸三元体系的配位化学相关研究.