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Theoretical elucidation of Am(III)/Cm(III) separation mechanism with diamide-type ligands using relativistic density functional theory calculation

相対論密度汎関数計算を用いたジアミド型配位子によるAm(III)/Cm(III)分離メカニズムの理論的解明

金子 政志 ; 鈴木 英哉; 松村 達郎

Kaneko, Masashi; Suzuki, Hideya; Matsumura, Tatsuro

マイナーアクチノイドの分離変換技術開発の一環として、アメリシウム(Am)とキュリウム(Cm)の分離が課題となっている。本研究では、AmとCmの分離メカニズム解明を目的として、異なる二つのジアミド型配位子であるジグリコールアミド(DGA)とアルキルジアミドアミン(ADAAM)によるAm/Cm選択性の違いを、密度汎関数計算を用いて解析した。モデル錯体として[M(DGA)$$_{3}$$]$$^{3+}$$と[M(ADAAM)(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$(H$$_{2}$$O)]の分子構造探索、錯生成反応ギブズエネルギー計算を行った結果、DGA配位子のCm選択性とADAAM配位子のAm選択性を再現することに成功した。さらに、Am/CmとDGA/ADAAM配位子の化学結合解析を行った結果、結合解離エネルギーの差がAm/Cm選択性の違いに影響を及ぼしており、f軌道電子の共有結合性の違いがAmとCmの分離メカニズムの一因であることが示唆された。

We elucidated the separation mechanism between Am(III) and Cm(III) ions by using two different types of diamide ligands, diglycolamide (DGA) and alkylated diamide amine (ADAAM), by means of the density functional theory technique and electron density analysis. The molecular geometries and formation reactions of the metal-ligand complexes were modeled by using [M(DGA)$$_{3}$$]$$^{3+}$$ and [M(ADAAM)(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$(H$$_{2}$$O)]. We successfully reproduced Cm(III) selectivity over Am(III) with DGA and Am(III) selectivity over Cm(III) with ADAAM. Furthermore, we analyzed the bonding properties between the metal ion and the diamide-type ligands by using model complexes, [M(DGA)$$_{3}$$]$$^{3+}$$ and [M(ADAAM)(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$(H$$_{2}$$O)], and revealed the differences in terms of the bond dissociation energy and the metal 5f-orbital participation in the covalency between the Am(III) and the Cm(III) complexes. It was suggested that the differences were key factors to understand the Am(III)/Cm(III) selectivity.

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