Wrinkled Layered Sulfide With Tunable Channels Unlocks Precision in Rare Earth Extraction From Radioactive Wastewater

材料科学 硫化物 动力学 水溶液 堆积 离子 萃取(化学) 离子交换 分析化学(期刊) 结晶学 核化学 物理化学 化学 冶金 色谱法 物理 有机化学 量子力学
作者
Kai‐Yao Wang,Jingjing Li,Feng‐Qi Shi,Yi‐Ming Zhao,Zeyu Wang,Xinrong Zhang,Lin Cheng,Cheng Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202515936
摘要

Abstract Dimensionally adjustable channels are incorporated into a crystalline lattice via strategic stacking of wrinkled layers, boosting rare earth element (REE) ion exchange performance due to the eliminated energy‐intensive dehydration and channel rigidity. In [(CH 3 ) 2 NH 2 ] 2 Ga 2 Sb 2 S 7 ( GaSbS‐1 ), the lone electron pair (LEP) on Sb 3+ in the trigonal pyramidal {SbS 3 } influences Ga─S bond orientations, creating wrinkled [Ga 2 Sb 2 S 7 ] n 2 n − layers. Staggered stacking forms parallel channels occupied by [(CH 3 ) 2 NH 2 ] + cations, facilitating outstanding exchange for REE 3+ ions (Y 3+ , La 3+ −Lu 3+ ). Dynamic interlamellar expansion endows GaSbS‐1 with remarkable kinetics ( R = 97.14%–99.40% within 5 min; k 2 = 2.592–3.462 g mg −1 min −1 ) and capacities (63, 125, 143, and 138 mg g −1 ) for Y 3+ , Ce 3+ , Eu 3+ , and Tm 3+ . It exhibits structural stability across pH = 2–12, with K d values > 10 4 –10 5 mL g −1 at pH = 4–9, and superior selectivity for REE 3+ over competing ions. Performance remains robust in real aqueous environments, including sea water, with maximum REE 3+ removal rates >90%. Rapid kinetics enable efficient column filtration ( R = 93.10%–98.51%) and recycling capability. The GaSbS‐1 /PTFE membrane achieves 99.71%–99.95% removal of trace REE 3+ at 1.38 mL min ‒1 cm ‒2 (0.17 s contact time). With high yield, irradiation resistance, and facile elution, GaSbS‐1 is a proof‐of‐concept exchanger for purifying REE‐contaminated radioactive wastewater.
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