随着化石能源的消耗,开发安全稳定的能源体系对人类的生存至关重要。以铀为主要燃料的核裂变能源,由于其能量密度大及无温室气体排放的优点,有望代替传统的化石燃料。然而,核裂变工业会产生大量放射性废物,对环境和人类健康造成威胁。放射性核素中的铀具有很强的化学毒性和放射性,是各种放射性废物中最常见的污染物。合理妥善地分离废水中的铀不仅解决了环境安全问题,也是核工业可持续发展的重要保障。与核裂变相比,核聚变的能量密度更大,且不会产生温室气体和乏燃料,一旦核聚变发电成为现实,将能为人类供能数千年。在所有已知核聚变中,氘氚聚变的反应条件最为温和,是最有希望实现可控核聚变的一种反应类型,但氚具有很强的渗透和扩散能力,泄露到环境中容易引起爆炸,进入人体会造成严重的辐射损伤。另外,氚资源在自然界极其稀缺,循环利用具有重要意义。因此,安全、稳定、高效的除氚系统是实现可控核聚变的重要保障。总之,无论是核聚变还是核裂变,能否有效预防和治理放射性核素污染关系到核工业的可持续发展。多孔有机骨架材料是通过堆积特定结构的小分子形成具有微孔或介孔结构的交联型聚合物框架。由于大的比表面积、可调节的孔隙率、稳定的理化性质及丰富的反应位点,这些骨架材料在环境放射化学领域具有良好的应用前景。针对目前核裂变工业中存在的放射性废物污染及铀资源的问题,以及未来可控核聚变的涉氚工艺安全问题,本文通过合理的分子设计,将功能化多孔有机骨架材料应用于核裂变和核聚变中关键放射性核素(铀和氚)的分离与富集。本文具体研究如下:(1)膦酸酯修饰沥青基多孔芳香骨架用于模拟放射性废水铀的分离富集核工业迅速发展的同时会产生大量放射性废液,其中含有大量的铀,它不仅是核电站的主要燃料,也是国家重要的战略资源。然而,放射性废液的强酸性、高放射性及成分复杂性等难题对吸附剂的性能提出了极高的要求。针对这些挑战,本研究以石油工业的副产品沥青为原料,通过Friedel-Crafts烷基化反应一步法制备了膦酸酯修饰的沥青基多孔芳香骨架(PPAF)。PPAF的多孔结构可作为“离子筛”对铀酰离子选择性分离,膦酸二乙酯配体可实现在酸性条件下螯合U(VI)并改善吸附剂在水中的分散性,成功解决了选择性和高酸度环境中氢离子竞争的问题,实现从高酸性放射性废水中对铀的高效富集。而且,沥青中的大量刚性苯环结构可有效地提高材料的耐辐射性能和机械性能,提高材料的使用寿命。PPAF吸附剂40分钟就达到吸附平衡,在pH 1.0时的吸附容量高达到147 mg U/g。PPAFs对各种竞争性离子具有良好的选择性,并且在酸性溶液中具有出色的抗辐射性能。此外,PPAFs在5次吸附-解吸循环后仍保持100%的吸附效率和完整的结构。这项工作将沥青这种工业废料合理再利用,用于从放射性废水中高效分离回收铀,并利用了沥青单体的苯环结构,极大提高了吸附剂的选择性和稳定性,有望在未来实际应用于放射性废水的处理。(2)共轭微孔聚合物修饰蜂窝状催化剂用于氢同位素分离净化研究随着对可控氘氚聚变技术的不断研究开发,有望迎来核聚变发电的能源新时代,然而核聚变工业在供能的同时会产生低浓度的含氚废气,不及时分离净化会造成严重的安全隐患。本研究以共轭微孔聚合物修饰蜂窝状堇青石为疏水载体制备贵金属催化剂用于氢同位素分离净化。首先通过系列化学反应在蜂窝状堇青石陶瓷表面原位接枝CMPs骨架合成疏水载体,并负载铂后得到疏水的蜂窝状催化剂(CAT)。由于氚资源稀缺且具有放射性,本章用与其化学性质相似的氢气与氘气评估CAT的催化活性。实验结果表明,CAT在常温下具有高效的催化活性,在20000 h-1空速的干燥条件下,氢气转化率在99%以上,而市售催化剂(PⅡ)在相同条件下的氢气转化率仅为59.8%。同时,得益于催化剂的疏水能力,水汽存在时CAT依然保持较高的催化活性。本部分还探究了同位素效应对催化剂活性的影响,发现催化剂对氘也具有高催化能力。此外,CAT具有出色的抗辐照性能,经过200kGy的β射线辐照后,催化剂的催化活性和化学结构几乎无变化。这项工作利用共轭微孔聚合物提高了催化剂的疏水性,并且改善了铂纳米粒子在催化剂上的分布,实现了氢同位素的高效分离净化。(3)共价三嗪骨架修饰蜂窝状催化剂用于氢同位素分离净化研究贵金属除氚催化剂可以深度分离废气中的氚,然而催化剂的活化和长期的运作会出现贵金属的团聚问题,大量活性位点被掩盖,严重影响催化活性和稳定性。本研究以共价三嗪骨架(CTFs)修饰蜂窝状堇青石并负载贵金属制备富氮型疏水催化剂,利用其多孔和富氮结构实现贵金属铂的均匀分布,以解决贵金属团聚问题。通过Friedel-Crafts反应在蜂窝状堇青石陶瓷表面原位接枝CTFs合成疏水载体,负铂后得到蜂窝状疏水催化剂(HC),合成简单,反应条件温和。从辐射安全角度考虑,用氢气与氘气探究了 HC的氢同位素净化能力。HC在常温下具有高效的催化活性,在30000 h-1空速的干燥条件下,氢气转化率在99%以上。得益于载体的嗪环结构,催化剂HC的催化效果要优于催化剂CAT。本部分通过共价三嗪骨架修饰的蜂窝状催化剂,解决了催化剂的贵金属团聚问题,实现了氢同位素的高效分离与净化。