稀土元素是现代高技术领域众多功能材料所需的关键元素，因此也被誉为“现代化工业维生素”。但是，稀土矿加工过程中的放射性钍污染对当地生态环境产生极大的负面影响。Th（IV）具有高度流动性，可以在水和土壤中渗透，并可能最终进入食物链，危及人类健康。这也导致了稀土矿（如独居石）被禁止开采，进而阻碍了稀土行业的可持续发展。与稀土矿物中的其他污染物不同，高纯钍是液态氟化钍反应堆（LFTR）的下一代核燃料，发展LFTR可以减少煤炭和天然气等化石燃料的消耗。因此，从稀土矿中超选择性地提取钍，不但可以解决稀土矿的放射性污染问题还可以为LFTR持续供应核燃料。由于操作简单、效率高、无乳化现象以及吸附剂的可重复使用，固相萃取在实验和工业规模上都被广泛接受。迄今为止，各种固相吸附剂包括沸石、聚合物、介孔二氧化硅，金属有机框架（MOFs），共价有机框架（COFs）和多孔碳等。此前的研究显示，吸附剂表面的含氧功能基团可以促进Th（IV）的吸附。然而，这些含氧基团介导的从稀土矿中提取Th(IV)的吸附的机制尚未得到精确研究。这很难艰巨的任务，尤其是在多孔碳基材料上，因为碳基材料一般含有大量的氧。更复杂的是，当通过化学方法改变碳材料中氧含量变化时，其比表面积和孔隙体积等特性也会相应变化。这种多变量的体系无法很好的研究单一含氧量对吸附的影响。因为比表面积和孔隙体积也在Th（IV）吸附过程中的起到关键作用。消除这种不确定性的方法是：找到具有相似比表面积和孔隙率但含氧量不同的碳材料研究含量对Th（IV）的吸附选择性和容量的影响。近日，西安交通大学许章炼课题组筛选出以二醋酸纤维素和微晶纤维素为碳源，通过水热碳化和KOH活化相结合的方法合成了一对具有极其接近的比表面积和孔隙率不同含氧量的同源微孔碳，用于研究含氧量在从稀土矿中提取Th（IV）的促进作用。并揭示了富氧活性炭可以在较宽的pH范围对Th（IV）具有超选择的原因，为高选择Th（IV）吸附剂的设计和合成提供思路。相关成果以“Ultra-selective ion sieve for thorium recovery from rare earth elements using oxygen-rich microporous carbon adsorption”发表在Journal of Hazardous Materials (J. Hazard. Mater. 2021, 417, 126115)。论文的第一作者为博士生高阳阳。通讯作者为西安交通大学特聘研究员许章炼，上海交通大学长聘教轨副教授王寅，西安石油大学讲师吕英。论文得到了先进核能研究所、国家自然科学基金的等相关经费的支持。具体研究内容如下：1、选用一对具有极其接近的比表面积和孔隙率但含氧量不同的同源微孔碳材料研究含氧量在从稀土矿中提取Th（IV）的促进作用。在含有15种稀土金属元的溶液环境中，富氧微孔碳（CDA-4700）对Th（IV）表现出超高的选择性吸附，其分配系数高达1.15×108 mL g-1，是目前选择性吸附钍的分配系数最高值，较对比碳（C-4700，分配系数5×104 mL g-1）提高了四个数量级。2、该富氧微孔碳可在pH 2.1-4.9范围内的表现出选择性，但其选择性吸附机理并不相同。pH 2.1时，所有离子均未发生水解，稀土离子为+3价，钍为+4价，此时的选择性吸附是基于Th4+的高价态产生的高结合力。当pH 3.1-4.9时，钍离子发生水解产生离子半径更大的Th（OH）22+ 和Th（OH）3+，这使得水解后的钍离子在微孔碳的孔道中的移动要比没有水解的稀土离子慢的多，更容易被含氧基团捕获，所以选择性大大提升。
