矿物是重要的能源物质,随着对能源的需求日益增长,核能作为新一代高效清洁的能源已成为我国能源组成中的重要部分。核能的发展离不开铀矿的开采和利用。而钍基熔盐堆(TMSR)作为第四代先进核能系统中的代表,非常适合我国钍资源丰富的国情,是国家能源安全的重要保证。然而在铀、钍矿的开采利用、尾矿的处理以及乏燃料后处理过程中会涉及到铀、钍与多种无机或有机含氧配体的化学作用,包括水解、配位与氧化还原反应,以及吸附与离子交换等化学物理行为。环境中的无机酸根及土壤有机质的羧酸根也可与铀、钍形成配位聚合物,从而可能影响其迁移和吸附行为。研究铀/钍-配位聚合物的结构可以为铀、钍元素的萃取、分离、吸附或迁移提供基础的结构参数,为铀、钍资源的高效利用和环境治理提供科学支持和大量的数据模型。对于铀、钍元素的化学研究贯穿整个熔盐反应堆及乏燃料后处理整个核工业体系。现阶段对于钍、铀元素及其裂变产物在各个过程中的存在形式、配合物的分子结构、配位环境等都尚不完全明确,铀、钍元素及其裂变产物的配位化学研究对于核工业及矿业的发展具有重要的意义。本论文的工作从配体的设计出发,基于矿物分离的含氮羧酸配体,构筑了一系列结构新颖的铀/钍-配位聚合物。通过单晶X射线衍射技术解析其精确结构,通过荧光、紫外、红外、等手段研究其物理化学性质;通过质谱结合DFT(密度泛函理论)计算研究了配体与铀酰离子在溶液中的配位化学行为,以及通过理论计算研究超铀元素(镅)的萃取分离行为。此外,进一步探究了铀/钍-配位聚合物作为一种新型的锕系材料在染料吸附,碘分子去除,二氧化碳催化转化等方面的应用。具体的研究内容如下:(1)从配体的设计入手,其中配体的原位合成(ISLS)具有一些独特的优势,不仅可以减少反应进程,也可以合成一些常规方法不能直接合成的产物,实现配合物结构的多样性。我们采用带有亚氨基反应活性位点的半刚性二元羧酸配体H₂bc Hba,通过p H和辅助配体调控,发现随着p H的降低,配体逐渐开始发生原位亚硝基化。成功构筑了四例由于配体亚硝基化反应程度不同形成的铀酰配位聚合物,并结合理论计算研究了亚硝基对铀酰配位聚合物构型的影响。随后通过基于三嗪环的三元羧酸配体H₃TBPCA与铀酰离子的自组装,成功构筑了一例富氮二维阴离子铀酰有机框架。半刚性三齿配体与铀酰离子呈现多种配位模式,不再形成类石墨烯蜂窝网状平面,而是具有一定厚度的二维层状网络。阴离子骨架可以选择性吸附带正电荷的染料分子,而骨架中具有高密度的Lewis酸性金属中心和碱性的-NH-基团,也可用于有效地催化二氧化碳和环氧化合物的环加成反应。(2)基于软硬酸碱理论,我们利用含氮,氧原子的混合配体-三联吡啶羧酸(Hcptpy),构筑两类杂化过渡-铀酰金属有机框架。其中Hcptpy与过渡金属离子预组装后会形成一个金属化的线性二齿羧酸配体。金属化配体再以铀酰离子为节点,形成无限延伸的一维铀酰链。而链与链之间的空隙中填充了大量的溶剂分子,可以与中性客体分子I₂进行交换,对碘具有不错的吸附能力。而当铀酰赤道面上的甲酸根被联苯二羧酸取代后,实现了一维(1D)链向2D+2D→3D的多连锁有机框架结构的转变。此外,这种杂化铀酰金属有机框架可用于催化CO₂与环氧化合物的环加成反应。(3)通过水解缩合预组装形成Th₆金属化团簇,再与吡唑甲酸、吡啶甲酸配体进行再组装,探索钍团簇的溶液化学行为,合成了基于吡唑、吡啶甲酸的六核钍簇。再通过引入过渡金属与配体的氮端配位,构筑了基于钍簇-异金属的金属有机框架,并进一步探索它们对Re O₄^-的吸附行为。(4)为了揭示U(Ⅵ)离子与三种不同烷基链PDAM配体在溶液中的配位化学行为,结合电喷雾质谱(ESI-MS)与密度泛函理论(DFT)进行了研究。质谱实验表明[UO₂L(NO₃)]⁺是形成的优势配合物。理论计算也证实[UO₂L(NO₃)]⁺比[UO₂L(OH)·H₂O]⁺更稳定。而配体烷基链的长度对铀酰配合物的配位结构影响不大,但链长的空间位阻效应会影响配位过程中的热力学行为。(5)超铀元素(Am)是乏燃料中的高放废物,研究表明含氮的吡啶吡唑类配体对其具有优异的选择性萃取能力,但是萃取机理尚不明确。通过理论计算从分子层面上去探索萃取剂及其形成配合物的电子结构,研究配体链长及预组织结构对其萃取能力的影响,包括萃取过程中的热力学行为等,为实验上萃取剂的设计和使用提供理论指导。