铀是使用最广泛的传统核燃料，然而我国已探明的陆地铀矿资源非常有限，长期以来我国被认为是贫铀国，寻找新的铀资源或者替代品是解决我国乃至世界今后面临的铀资源短缺的必然选择。海水中蕴藏着约45亿吨的铀资源，是陆地上已探明铀总量的近千倍，可作为核能使用数千年之久。钍和钚作为铀的替代品也同时存在于海水中，因此从海水中提取铀、钍、钚是解决铀资源困境的重要方案之一。然而，较低的浓度（其中铀浓度约3.3 × 10⁻⁹）以及复杂的组成使得从海水中高效获取铀、钍、钚非常具有挑战性，寻找高吸附性能材料是解决这一问题的主要途径之一。

得益于极大的比表面积、丰富的活性位点、低密度以及易功能化等特点，二维材料诸如石墨烯及其衍生物、二维过渡金属碳化物或碳氮化物、金属有机骨架、黑磷烯等已开始被研究作为可能的新型吸附剂提取铀或其他锕系元素。然而这些二维材料尚存在结合位点相对较弱、环境稳定性较差等问题，限制了其进一步推广应用。锑烯因其独特的电子和光学性质以及良好的环境稳定性而受到人们的广泛关注，锑烯非局域的5s和5p电子轨道形成表面悬挂键或激活键，因此具有更高的表面亲和力和轨道杂化能力。已有研究发现锑烯对非金属、碱金属、碱土金属和3d过渡金属等多种原子表现出较强的化学吸附作用，预期对锕系元素也具有较好的吸附性能。

在最近的研究中，南华大学核科学技术学院吴飞宏等人采用基于密度泛函理论（DFT）的计算方法揭示了锑烯对铀、钍、钚原子的吸附特性。计算首先拟合了采用线性响应法拟合得到了描述铀、钚5f轨道电子强格点库仑作用的哈伯德U值。通过DFT+U计算发现，锑烯难以实现钚原子的稳定吸附（吸附能为负值），而对铀、钍原子具有较强的化学吸附效果。这种化学吸附归因于铀、钍原子的d轨道与最近邻锑原子的p轨道之间较强的p-d耦合作用。同时，锑烯能为铀和钍原子提供丰富的表面活性吸附位点，这些位点的吸附能位于2.43 eV和4.40 eV之间，其中铀原子在桥位——孔位之间最稳定，而钍原子在孔位最稳定。电声耦合计算表明，铀、钍原子在锑烯表面的吸附-解吸转变温度分别为837 K和660 K，预示锑烯作为一种新型铀、钍吸附材料在海水提铀、放射性核素检测等领域具有潜在应用。

相关成果以题为“锑烯表面铀、钍、钚的吸附性能研究：线性响应方法结合密度泛函理论”发表在最新一期的中国核学会会刊、入选中国科协“中国科技期刊卓越行动计划”项目的《核技术》期刊上，并被选为当期的封面文章。我院硕士研究生吴飞宏为该论文第一作者，汤贤特聘教授、成国栋博士为该论文通讯作者，南华大学、中国科学院上海应用物理研究所共同完成该研究工作。

该工作受到了国家自然科学基金(No.12275125, No.12175302)、湖南省自然科学基金(No.2021JJ20038)、湖南省科技创新计划资助项目(No.2021RC3105)的资助。

论文链接：http://www.hjs.sinap.ac.cn/thesisDetails#10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.070301&lang=zh

DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.070301

上图：铀原子(a-d)和钍原子(e-f)分别吸附在锑烯表面桥位(a, e)、孔位(b, f)、顶位(c, g)、或谷位(d, h)位的弛豫构型。

下左图：(a)铀原子或(b)钍原子吸附在锑烯表面的总态密度以及投影态密度图。

下右图：入选期刊当期的封面故事。