科学家成功分离镧系元素

摘要: 　　镧系元素大家族的15个成员各具特异的光、电、磁和催化等物理和化学性能，镧系元素在溶液和固体中均呈现稳定的相似化学性质，主要区别在于内层的4f电子数目的不同，并且镧系收缩导致相邻元素之间平均离子半径相差 ...

　　镧系元素大家族的15个成员各具特异的光、电、磁和催化等物理和化学性能，镧系元素在溶液和固体中均呈现稳定的相似化学性质，主要区别在于内层的4f电子数目的不同，并且镧系收缩导致相邻元素之间平均离子半径相差只有0.01 Å。因此，镧系元素的分离是一项极为重要并具有挑战性的工作。
　　苏州大学放射医学及交叉学科学习院教授王殳凹及合作者近期在熔融硼酸盐反应中发现了三价镧系元素硼酸盐产物结构与性质差异最大化的反应条件及周期性变化。实验上，基于镧系元素相同条件下硼酸熔融反应中周期性变化的认识，将可生成两种不同晶格结构的镧系元素以相同的摩尔量混合后再与硼酸盐熔融反应，结果显示镧系元素可选择性优先生成其中一种晶格结构，另一种元素则富集在液体相内，从而实现高效固液分离。
　　中国科学院宁波材料技术与工程学习所特种纤维与核能材料工程实验室学习员都时禹及合作者利用第一性原理密度泛函理论等手段对镧系元素硼酸化反应的不同产物进行了电子结构与反应热力学的理论学习。发现同一种镧系元素发生不同类型硼酸化的反应能有显著差异，镧系中心离子更倾向于形成各自稳定的晶格结构；针对镧系元素不同配位聚合物之间的差异，通过对电子态密度图的深入分析发现，不同晶格产物的中心离子内层轨道电子因硼酸盐配体结构差异而受到不同程度的影响，阐明了导致不同镧系元素形成各自晶格结构的重要因素。
　　该合作学习工作利用多聚硼酸盐的识别能力，首次在同等反应条件下将镧系元素分为六个不同的晶格系统，打破了对由镧系收缩现象导致的镧系元素固体同一性的传统认识。该成果在乏核燃料后处理循环关键技术中预计有潜在用途。学习成果发表于自然-通讯（Nature Communications， 2017， 8: 14438）。
　　该工作得到中科院交叉创新团队、中组部“青年千人计划”等项目支持。