随着核能快速发展，放射性废物的安全有效处理成为亟待解决的环境挑战。特别是含有Cs⁺、Sr²⁺、UO₂²⁺等放射性离子的废水，对生态环境和人类健康构成长期威胁。传统吸附材料在处理强酸性、高辐射的核废液时往往力不从心。

本综述文章系统总结了金属硫属化物离子交换材料（MCIEs）在这一领域的最新研究进展，包括材料设计、性能评估、机理阐释，为放射性核素的高效捕获提供了重要指导。

背景介绍

核能发展迅猛，但随之而来的放射性废物处理问题也日益突出。特别是含有Cs⁺、Sr²⁺、UO₂²⁺等放射性离子的废水，对环境和人体健康构成长期威胁。传统吸附材料如沸石、粘土等存在选择性较差以及易受废液酸度影响大等缺点。金属硫属化物离子交换材料（MCIEs）近年来脱颖而出。它们不仅吸附容量大、速度快，且在复杂环境下针对不同放射性金属离子表现出高选择性。这篇综述系统总结了金属硫属化物离子交换材料的研究现状，更重要的是建立了从材料设计、性能评估到机理理解的整体研究体系（图1）。

研究成果

材料结构与性能的完美结合

综述将此类材料分为两大体系：含碱金属离子的MCIEs和含质子化有机胺的MCIEs。前者以锡基硫化物为代表，如KMS系列和KTS系列，具有纯无机框架结构，其中K⁺或Na⁺位于层间或通道中，易于进行离子交换。后者包括硫代锡酸盐、硫代铟酸盐等，有机胺模板的多样性赋予了材料丰富的结构可变性和可调节的孔道尺寸。

这种结构多样性直接赋予了材料优异的性能。研究表明，KMS-2对Cs⁺的吸附容量高达531mg/g，KTS-3对UO₂²⁺的容量达到287mg/g，FJSM-SnS对Cs⁺的容量为408.91mg/g。更令人印象深刻的是，大多数材料在5-10分钟内即可达到吸附平衡，远快于传统材料。在存在大量竞争离子的复杂溶液中，这些材料仍能保持高选择性，分配系数通常达到10⁴-10⁶mL/g的优异水平。

从基础研究到应用探索

综述还总结了该材料体系面向工程应用方面开展的相关复合材料等研究。通过材料复合技术，研究人员开发出了复合微球、复合纤维、复合膜和气凝胶等多种形式的成型应用方法（图2）。例如，FJSM-SnS/PAN复合微球材料显著提高了机械强度和实用性，SbS-1K/PTFE复合膜实现了快速过滤分离功能，KMS-1/r-GO气凝胶则展现出高孔隙率和吸附容量的优势。

这些复合材料不仅保持了原有材料的优异吸附性能，还大大提升了材料的工程适用性，为实际应用奠定了基础。特别值得关注的是，部分复合材料在强酸、高辐照条件下仍能保持长期稳定性，显示出了良好的应用前景。

机理研究的深度突破

综述文章重点阐释了金属硫属化物离子交换材料的核素捕获机理。基于软硬酸碱理论，S^2-/Se^2-作为路易斯软碱，对Cs⁺等相对较软酸离子具有一定的亲和力，这构成了选择性吸附的理论基础。更重要的是，这类材料展现出独特的结构柔性特性。在离子交换过程中，材料框架能够发生"呼吸"作用，自适应地调整层间距和窗口尺寸，从而有效地捕获和锁定目标离子。这种动态调整能力通过单晶X射线衍射等表征手段得到了直观证实（图3）。

尺寸筛分效应是另一个关键机理。通过精确设计孔道和空腔尺寸，材料能够实现离子筛分功能。例如，K₆Sn[Zn₄Sn₄S₁₇]中的K3空腔（直径约4.1Å）可选择性地容纳Cs⁺，而较小的空腔则能排除其他离子。这种精确的尺寸控制为特定离子的选择性吸附提供了可能。

未来方向

尽管金属硫属化物离子交换材料已展现出卓越性能，综述文章仍指出了需要重点突破的四个方向。在基础研究方面，需要进一步深化结构-性能关系研究，建立更为完善的理论指导体系。材料体系也需要持续扩充，通过引入新的金属元素和配体组合，丰富材料家族多样性。

在实际应用层面，酸性条件下特定离子的精准识别与分离仍是重要挑战，需要开发更为精准的分子识别策略。同时，复合材料在实际应用条件下的长期稳定性和耐久性需要系统验证，为工程化应用提供可靠依据。

引用本文

Junhao Tang, Meiling Feng, Xiaoying Huang. Metal chalcogenides as ion-exchange materials for the efficient removal of key radionuclides: A review. Fundamental Research. 5(5) (2025) 1969-1987.

原文链接（复制到浏览器中查看）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824000013

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