传统化石燃料的日渐枯竭和对环境造成的污染已引起全球关注,作为清洁能源的核能虽已受到众多国家的青睐,但核能潜在的放射性污染使其广泛应用受到限制。放射性碘是核裂变的必然产物之一,如果它被释放到环境中,将对生物和环境造成严重损害。近年来,固体吸附剂的开发和使用在放射性碘捕获方面取得了重大进展。在本论文中,我们着眼于放射性碘捕获过程中的两大问题:碘在吸附剂中的二次释放问题和吸附剂的可燃性问题,构建了高效安全的多孔吸附材料,并探究了每种吸附材料各自的吸附性能和吸附机理。具体研究内容主要分为以下几个部分:1.针对现有的吸附材料不能牢固地捕获放射性碘,而带来的碘的二次释放问题,我们提出:开发对I3-离子而不是I2分子具有强结合作用的吸附材料是解决放射性碘和吸附剂之间弱的相互作用的关键。为此,我们首先在DFT计算的指导下筛选出与I3-具有高度结合作用的小分子基团三聚氰胺,接着合成了理论上可以高效吸附碘的三聚氰胺甲醛聚合物(MFP)。在碘吸附实验中,I2蒸气在MFP材料中首先转变成I3-离子。进一步的实验数据和理论结果证明I3-中的碘原子通过氢键作用与MFP中的氢原子有效结合;由于协同氢键作用,MFP实现了对放射性碘的超高结合能力(吉布斯自由能:-260.38 Kcal/mol,这大约是广泛使用的银基吸附材料中Ag-I离子键的4倍)。对比其他的碘吸附材料,MFP能够稳定且持久地捕获碘,完全不会造成碘的再次释放问题。另外,由于对I3-离子的强结合作用,MFP对放射性碘的吸附容量高达637 wt%,是迄今为止具有最高吸附容量的碘捕获材料。此外,我们还在循环使用、吸附有机碘和去除溶剂中碘等方面发现了 MFP的突出效果。总之,通过多重表征和理论计算我们深入研究了I3-离子在碘吸附过程中起到的重要作用,为放射性碘的有效捕获提供了新的思路。2.在实际的核废料的再处理过程中去除放射性碘是吸附材料的又一项重大挑战。根据放射性碘的产生条件,我们进一步探讨MFP在相关工业生产条件下的应用。实验结果显示出MFP具有去除碘排放废气流中NO2的作用,且吸附容量相对硅基等其他材料具有明显的优势。相关的作用机制是NO2与MFP中的胺基作用,NO2最终被分解成氮气和水,因此MFP被证明是一种少有的绿色的NO2吸收剂。最后,MFP在模拟废核燃料后处理环境中也表现出令人满意的应用效果。据我们所知,MFP是首次实现放射性碘和NO2共同去除的材料。3.考虑到废气流中存在大量的氮氧化物,这会对大多数用于放射性碘处理的固体吸附剂带来着火和爆炸的风险,我们首次将多孔六方氮化硼(多孔h-BN)用于捕获放射性碘,并进一步研究了其实用性和除碘性能。一系列试验,如可燃性,酸浸耐久性等,揭示了多孔h-BN优异的热稳定性、耐酸性、抗氧化性和疏水性。最重要的一点是,多孔h-BN具有杰出的阻燃能力,明显优于常见的MOFs和POPs碘去除材料。多孔h-BN的这些优点将极大地降低废气流中火灾和爆炸的风险,并赋予这种材料在实际放射性废物再处理方面的巨大潜力。受益于多孔性质和路易斯酸-碱相互作用,多孔h-BN对碘蒸气的吸附能力可达到213 wt%。通过模拟核废料再再处理时的实验条件进一步证明了多孔h-BN的碘去除性能。结合其优异的物理化学性质和碘去除能力,多孔h-BN是一种安全有效的、具有可实际应用潜力的放射性碘捕获材料。