在全球能源结构中，核能作为一种重要的低碳能源，在满足电力需求方面发挥着关键作用。然而，核废料的处理一直是核能可持续发展面临的重大挑战。长期以来，永久储存被视为处理核废料的主要方式，然而，亥姆霍兹 - 德累斯顿 - 罗森多夫中心（HZDR）的克里斯蒂娜·克瓦什尼娜教授指出，这并非唯一策略。
随着欧盟新资金的注入，克瓦什尼娜教授带领团队开启了 “MaLaR - 用于从核废料中回收镧系元素的新型2D - 3D材料” 项目。在未来三年，该项目获得了230万欧元的资金支持，旨在研究运用新型分离技术回收核废料中某些元素的可行性。之所以聚焦于此，是因为废旧核燃料中蕴含着重要的原材料，这些原材料的应用范围广泛，远超核能领域。参与该项目的不仅有德国，还有法国、瑞典和罗马尼亚，四国携手共同攻克这一技术难题。
MaLaR项目的核心目标是回收镧系元素。镧系元素作为一组化学元素，其中包含部分稀土元素，在现代工业和科研领域有着极为广泛的应用。
在屏幕制造中，它们能够提升屏幕的显示效果和色彩饱和度；在电池领域，有助于提高电池的能量密度和充放电性能；在磁铁生产中，可增强磁铁的磁性；在造影剂里，能辅助医生更清晰地观察人体内部结构；在生物探针方面，为生命科学研究提供了有力工具。但镧系元素是非常稀有的原材料，目前大部分依赖从中国进口。这不仅在供应链上存在潜在风险，也限制了相关产业的自主发展。因此，从废料，尤其是核废料中回收镧系元素，具有重要的战略意义和经济价值。克瓦什尼娜教授作为MaLaR项目协调人，同时隶属于HZDR的资源生态研究所，并在法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学担任教授，她深知这一项目的重要性和挑战性。
要实现核废料中元素的回收，首先必须进行分离处理。核废料处理面临着诸多难题，除了放射性元素本身带来的基本安全风险外，其所含物质的化学性质极为相似，这使得分离过程异常艰难。寻找一种只与某一种目标元素发生反应，而不与其他元素反应的物质，以便精准提取出目标元素，成为了困扰科研人员的一大瓶颈。现有的分离过程往往依赖危险化学品，这些化学品不仅对操作人员的安全构成威胁，还可能对环境造成潜在污染。而且，分离过程通常能耗巨大，需要消耗大量的能源资源，同时还会产生额外的废物流，进一步增加了处理成本和环境负担。
为了突破这些困境，MaLaR联盟正在探索一种创新方法。他们将目光聚焦于开发新型三维材料，试图将其打造为实现有效、环保、可持续分离方法的关键工具。这种方法不仅适用于核废料，还能应用于工业废料，如放射性医疗应用产生的废料。其工作原理基于吸附原理，与当前的分离方法有相似之处，但又有着显著的创新。在液态核废料中，特定放射性元素会附着在吸附剂相邻的固相上，从而实现与其余废料的分离。
近年来，研究发现氧化石墨烯这种碳基多孔材料在性能上表现卓越，能够显著超越目前使用的最重要的工业吸附剂或放射性核素。而且，最新研究表明，电子结构的某些特定变化能够进一步提高其吸附性能。在MaLaR项目中，克瓦什尼娜及其合作伙伴计划系统地探索这些潜在的化学反应，深入研究氧化石墨烯与不同元素之间的相互作用机制，从而开发基于氧化石墨烯的新材料，使其能够精准地作为特定元素清除剂，高效地从核废料中分离出目标元素。
从项目的长远目标来看，克瓦什尼娜强调：“我们的目标是设计一种材料，利用它我们最初可以从合成元素混合物中提取单个元素。未来，这一技术可应用于各种领域。诚然，在三年内我们只能朝着回收利用迈出第一步，但如果成功，实际应用将指日可待。” 这一新型分离技术一旦成功，其影响将是多方面且巨大的。在资源回收方面，它有助于从核废料和其他工业废料中回收珍贵的原材料，实现资源的循环利用，降低对原生资源的依赖，推动可持续发展。
在废料储存方面，对于高放射性废料的安全最终储存具有重要意义。例如，如果能将半衰期不同的同位素分离出来，然后分别储存，将大大降低储存风险，提高储存的安全性和稳定性。该项目明确以开发合适的、接近市场应用的技术解决方案为导向，致力于将科研成果转化为实际生产力，推动核废料处理技术的革新。
MaLaR团队具备强大的技术实力和专业背景，能够充分借助合作伙伴在多个不同领域的专业知识。在2D/3D材料开发方面，他们可以利用先进的材料制备技术，设计和合成具有特殊结构和性能的材料；在基础物理学领域，通过对物质微观结构和相互作用的深入理解，为材料性能的优化提供理论支持；在放射性元素化学方面，凭借对放射性元素性质和反应规律的掌握，更好地实现元素的分离和回收；同时，使用一种新的原位方法对放射性材料中极微量镧系元素进行时间分辨研究，能够实时监测元素的反应过程和变化情况，为材料的研发和优化提供精准的数据支持。
克瓦什尼娜热情地表示：“未来几年能在这个团队工作真是太棒了。我们可以将实验中的基本见解与理论计算、模型以及材料表征和开发相结合。” 作为项目的一部分，她还将负责在位于格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置（ESRF）的HZDR罗森多夫光束线（ROBL）进行实验。在那里，将使用高强度X射线测试新材料的化学性质。通过X射线的穿透和散射，科研人员可以深入了解材料的晶体结构、电子云分布等信息，从而进一步优化材料的性能，推动MaLaR项目朝着预期目标稳步前进。
