基于酰胺类配体的Am(Ⅲ)/Eu(Ⅲ)分离理论研究

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因为三价锕系((An(Ⅲ))与三价镧系(Ln(Ⅲ))具有非常相似的物理化学性质,故An(Ⅲ)/Ln(Ⅲ)分离是国际上乏燃料后处理的挑战难题之一,其中An(Ⅲ)/Ln(Ⅲ)分离配体的设计是关键所在。由于元素的放射毒性限制了实验操作条件且成本较高,因此采用理论计算来研究各类配体的An(Ⅲ)/Ln(Ⅲ)萃取分离性能是非常必要的。本论文采用相对论密度泛函理论方法,对二硫代酰胺类配体以及含有邻菲罗啉骨架的酯类和酰胺类配体分离Am(Ⅲ)和Eu(Ⅲ)进行了系统的理论研究。主要创造性结果如下:(1)二硫代酰胺类配体具有较好的电子供体能力。成键性质分析表明金属与配体的S原子是s成键,主要是Am 6d轨道和Eu 5d轨道组成,而且与Eu(Ⅲ)相比,同一配体与Am(Ⅲ)的共价相互作用更强。此外,M-S键的共价性大于M-N键。热力学结果表明,含邻菲罗啉骨架的配体与金属离子具有较强的络合能力,且含联吡啶的配体具有较高Am(Ⅲ)/Eu(Ⅲ)分离的选择性。由于M-S键共价性强于M-O键,所以对比于相应的二酰胺类配体,二硫代酰胺类配体具有较高的Am(Ⅲ)/Eu(Ⅲ)选择性,但它们与金属离子的络合能力较弱。(2)具有预组织结构的邻菲罗啉类配体较吡啶类配体具有更好的耐酸性和潜在的镧锕分离能力,其相关研究引起了科学家们的广泛关注。另外具有磷酸酯、酰胺类基团的应配体中也具有较好的萃取分离效果。我们探讨了四种的酯类和酰胺类配体对Am(Ⅲ)/Eu(Ⅲ)的络合能力以及其选择性。分析表明在所有配合物中,Am-N_L的键长小于Eu-N_L的键长。自然键分析和热力学分析表明配体与Am(Ⅲ)的络合能力大于Eu(Ⅲ)。较硬的氧原子与金属离子具有较强的络合能力,而较软的氮原子具有较高的Am(Ⅲ)/Eu(Ⅲ)选择性。而且酰胺类配体具有较强的络合能力,膦酰胺配体具有较高的Am(Ⅲ)/Eu(Ⅲ)选择性。
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