铯-137是高放废液（HLLWs）主要放射性来源之一，其γ伽马射线能量高（661.9 KeV），半衰期较长（约30.1年）。¹³⁷Cs可以以离子形态（¹³⁷Cs⁺）在水体中高度迁移。¹³⁷Cs⁺与K⁺、Na⁺具有相似的化学行为，易于被生物体吸收并积累，一旦被人体摄入，会导致人体细胞损伤、诱发癌症甚至死亡。¹³⁷Cs作为辐射源也被广泛应用于农业、医疗、勘探及工业等领域。因此，¹³⁷Cs的分离不仅有助于降低核废物的放射性水平，也能实现放射性资源的回收利用。然而，传统的¹³⁷Cs⁺吸附剂受到竞争离子特别是高浓度的Na⁺的严重干扰，因此难以在复杂环境中实现对¹³⁷Cs⁺的去除。此外，这些吸附剂通常以粉体形式存在，可操作性差、固-液难分离，从而阻碍了其实际应用。因此，迫切需要研发具有高选择性、高吸附能力的新型¹³⁷Cs⁺吸附剂，并开发其成型以及实用性。

近日，中国科学院福建物质结构研究所冯美玲研究员团队在期刊《Advanced Materials》上发表了最新研究成果“Construction of Zeolite-Type Metal Sulfide “Ion Sieve” into Electrospun Membranes for Ultrafast and Selective ¹³⁷Cs+ Sequestration”，开创性地提出构建沸石型金属硫化物作为高效“铯离子筛”（CIS）的策略。该策略巧妙结合了金属硫化物软碱S^2-位点对软酸Cs⁺的强亲和力、硫化物的框架柔性以及沸石的多孔结构与稳定性。这类“铯离子筛”能够克服传统沸石结构刚性、对Cs⁺作用力弱的局限，实现独特的“Cs⁺离子筛分”效应。该铯离子筛还成功集成到静电纺丝纳米纤维膜系统，实现了对137Cs+的高选择性动态分离。

图1 GaGeS-1的结构及其离子交换示意图。

研究团队所制备出的铯离子筛（CIS），是具有SOD拓扑结构的簇基沸石型金属硫化物GaGeS-1。其具有尺寸匹配的Cs⁺筛分通道、柔性的阴离子金属硫化物框架、丰富的S2-位点（图1）。这些特性使其对Cs⁺表现出高吸附容量（332.52 mg/g）、快速动力学（1.5 min内，去除率RCs > 97.06%）、良好的辐照稳定性以及优异的循环稳定性（循环使用5次后，RCs > 93%）（图2）。

图2 GaGeS-1对Cs+的吸附等温线、动力学曲线、耐酸碱、辐照稳定性。

特别是GaGeS-1展现出卓越的离子选择性：即便在大量Na+、K⁺、Ca2+、Mg2+等离子共存环境下，甚至在真实的137Cs+工业废液中，其Cs⁺去除率仍高达90%以上。其综合性能显著超越了大多数传统的氧基沸石及金属硫化物材料（图3）。

图3 在竞争离子存在下，GaGeS-1对Cs+的处理效果；GaGeS-1对真实放射性废液中137Cs+的处理效果。

为了进一步解决粉体材料在实际应用过程中固-液难分离、固相易流失，难操作等问题，研究团队利用静电纺丝技术，将GaGeS-1与具有生物可降解性、成本低廉的明胶（Gelatin）结合，制备出GaGeS-1/Gel复合纳米纤维膜。该膜成功应用于多级膜过滤系统，在动态连续运行中，对模拟Na/Cs混合废水（处理量3.58 L/m²，RCs = 99.39%）及铯污染的江水（处理量2.63 L/m²，RCs = 99.23%）均实现了高效动态“筛分”处理，展现出快速、简便、可扩展的工程应用潜力（图4）。

图4 GaGeS-1/Gel复合纳米纤维膜对Cs+的动态处理结果。a) 多级过滤系统。b) 搭载GaGeS-1/Gel复合纳米纤维膜的三级过滤系统处理Na/Cs混合废水中Cs+的连续动态吸附曲线。c) 洗脱再生后的GaGeS-1/Gel复合纳米纤维膜处理Na/Cs混合废水中Cs+的连续动态吸附曲线。d) 搭载GaGeS-1/Gel复合纳米纤维膜的四级过滤系统处理铯污染的江水中Cs+的连续动态吸附曲线。

研究还通过单晶结构解析与密度泛函理论（DFT）计算，在原子层面清晰“可视化”了Cs⁺捕获的机制。结果表明，高效的Cs⁺分离源于柔性且稳固的沸石型硫化物框架以及强的Cs⁺···S²⁻相互作用。DFT计算进一步揭示，优异的Cs⁺选择性归因于阴离子框架对Cs⁺显著更优的结合能，这得益于Cs⁺在SOD笼中形成了空间对称且能量稳定的最优配位模式（图5）。这种“Cs⁺离子筛分”效应与孔道内离子交换的协同作用，共同驱动了高效分离。

图5 DFT理论计算结果

本研究不仅首创了具有精准Cs⁺“筛分”能力的类沸石型金属硫化物材料，更通过构建可扩展的多级膜分离系统，为铯污染废水治理提供了从材料到装置系统的完整解决方案。本工作不仅在材料设计上为先进放射性核素吸附剂的开发提供了新思路与理论依据，也为环境放射性污染修复带来了重要的启示。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202521458

通讯作者：

冯美玲，研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、中国科学院特聘研究员。长期从事关键放射性核素的高效分离及其机理研究。主持国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、国家高层次人才计划青年项目、福建省青年拔尖人才、福建省自然科学基金“杰出青年”项目等。曾获卢嘉锡优秀导师奖、第十七届福建省青年科技奖、第四届福建省直机关五四青年奖章标兵称号、第三届福州青年科技奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、中国科学院上海分院三八红旗手等荣誉。迄今已指导多名研究生进行科研工作，其中2名硕士研究生获北京大学唐孝炎环境科学创新一等奖。