综述：新一代气凝胶材料在放射性核素净化中的进展：从功能设计到计算洞察

这篇综述系统阐述了气凝胶（aerogel）材料在放射性核素（如U、Th、Sr、Cs、131I）净化领域的前沿进展，重点探讨了硅基（silica）、碳基（carbon）、金属氧化物（MOF/COF）等气凝胶的结构调控、表面功能化（如偕胺肟/羧基修饰）及吸附机制，结合XPS、XAS、DFT等表征与计算方法，为核废料管理（nuclear waste management）和环境污染修复提供了创新思路。

　　

引言

放射性核素如铀-238（²³⁸U）、铯-137（¹³⁷Cs）等对生态环境和人类健康构成严重威胁。核工业发展伴随的核废料激增，使得高效吸附材料成为研究热点。气凝胶凭借其超高比表面积（BET显示可达1000 m²/g）、可调孔结构和轻质特性，被誉为"固态烟雾"，在放射性核素捕获中展现出独特优势。

气凝胶特性与吸附机制

气凝胶的层级孔隙结构（微孔-介孔-大孔）和表面化学修饰（如偕胺肟基团）共同决定其吸附性能。以硅基气凝胶为例，其表面硅羟基（Si-OH）可通过离子交换与铀酰离子（UO₂²⁺）形成稳定络合物。MXene复合气凝胶则通过硫醇（-SH）与Th(IV)发生特异性配位，吸附容量达850 mg/g。

表征与计算模拟

X射线光电子能谱（XPS）证实铀在羧基修饰气凝胶表面以U(VI)价态存在；扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析揭示U-O键长为1.8 ?。密度泛函理论（DFT）计算显示，偕胺肟基团与UO₂²⁺的结合能达-2.3 eV，电荷转移主要来自氮、氧原子。机器学习模型（ANN）成功预测了pH 4-6时Cs⁺吸附效率峰值。

实际应用挑战

尽管实验室中MOF气凝胶对¹³¹I的捕获率超99%，但规模化生产面临成本高（约$50/g）、机械强度不足等问题。海水铀提取试验表明，竞争离子（Na⁺/Ca²⁺）会使吸附容量降低30%，需开发更具选择性的磷酸功能化气凝胶。

未来展望

定向设计双网络聚合物气凝胶、开发辐射稳定性增强的ZrO₂复合体系，以及利用数字孪生（digital twin）技术优化材料合成路线，将成为下一代核废料处理材料的研究方向。