核廢料如何處理一直是全球面臨的重要環境挑戰。對于這些核廢料，永久儲存是否是唯一的處理方案？
德國德累斯頓-羅森多夫赫爾姆霍茲中心（HZDR）資源生態研究所教授Kristina Kvashnina及其團隊給出了否定的答案。
他們還提出了一個創新性的解決方案：從核廢料中回收鑭系元素。這類化學元素包含了部分稀土元素，被廣泛應用于顯示屏、電池、磁體、造影劑和生物探針等領域。“鑭系元素是一種非常稀有的原材料，目前主要依賴從中國進口。這就是為什么我們要嘗試從包括核廢料在內的廢棄物中回收這種原材料。”Kvashnina解釋道。
這一構想獲得歐盟高度重視。近日，由Kvashnina所領銜的名為“MaLaR——用于從核廢料中回收鑭系元素的新型2D-3D材料”的研究計劃已獲批230萬歐元資助。在未來三年里，來自德國、法國、瑞典和羅馬尼亞的科研人員將在Kvashnina的帶領下，共同探索如何利用創新分離技術從核廢料中回收這些寶貴資源。
然而，從核廢料中回收鑭系元素的過程絕非易事。除了放射性元素帶來的基本安全風險外，核廢料處理還面臨一個特殊難題：其中的材料具有非常相似的化學反應特性。“這使得很難找到一種方法只讓某一種元素發生反應而不影響其他元素，從而實現單一元素的提取。”Kvashnina解釋說。現有的分離工藝不僅需要使用危險化學品，而且能耗巨大，還會產生額外的廢物。
Kristina Kvashnina。圖源：DENIS MOREL/德累斯頓-羅森多夫赫爾姆霍茲中心
為此，MaLaR項目團隊計劃設計一種具有特異性吸附能力的新型三維材料，利用其表面吸附特性，實現對目標元素的高效、環保、可持續分離。這一設想的理論基礎來自先前的研究發現：多孔碳材料——石墨烯氧化物不僅吸附性能遠超現有工業吸附劑，其吸附效果還可以通過調節電子結構得到進一步提升。Kvashnina團隊將深入研究這一機理，開發基于石墨烯氧化物的新材料。
為確保研究順利推進，該團隊將整合多方優勢資源。其合作成員在2D/3D材料開發、基礎物理學和放射性元素化學等領域具有豐富經驗，還掌握著用于研究極微量鑭系元素的最新原位分析技術。“這個優勢互補的團隊讓我們能夠將實驗數據、理論計算和材料開發有機結合，形成完整的技術體系。”Kvashnina說。
作為項目重要組成部分，研究人員還將在位于法國東南部格勒諾布爾市的歐洲同步輻射光源裝置（ESRF）的ROBL光束線上，利用強X射線對材料性能進行測試。“我們將先利用這種材料從合成元素混合物中提取單個元素，未來，這項技術可以推廣到各種應用中。”Kvashnina強調，“誠然，三年內我們只能邁出回收利用的第一步，但如果我們成功了，應用前景將很廣闊。”這項技術的意義不僅在于實現核廢料中稀有原材料的回收利用，更重要的是可以通過分離不同壽命的同位素，為高放射性廢料建立更安全的分類儲存體系。