用作水淨化吸附劑的功能性金屬-有機框架:設計策略和應用

科學材料站 發佈 2024-02-27T00:04:46.592341+00:00

基於此,青島理工大學馬繼平教授課題組與中國科學院煙臺海岸帶研究所陳令新研究員課題組合作,在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發表題為「Functional metal–organic frameworks as adsorbents used for water decontamination: design strategies and applications」的綜述論文。

馬繼平教授課題組&陳令新研究員課題組JMCA:用作水淨化吸附劑的功能性金屬-有機框架:設計策略和應用

文章信息

第一作者:吳閣格

通訊作者:馬繼平*,陳令新*

單位:青島理工大學,中國科學院煙臺海岸帶研究所


研究背景

近年來,隨著各類污染物在環境水體中的湧現,能夠高效去除性質各異污染物的水質淨化技術受到越來越多的關注。吸附法作為一種高效去除水中污染物的方法,因其簡便、經濟、不產生有毒中間體等優勢,展現出了強大的應用潛力。金屬有機骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料作為一類新型多孔材料,具有高孔隙率,大比表面積等特點,作為吸附劑對各類污染物表現出優異的吸附特性。然而MOFs作為吸附劑在實際環境應用中仍存在一定的局限性。

例如,粉末狀MOFs固液分離過程複雜、傳統MOFs對極性污染物的選擇性較低、MOFs的微孔結構傳質效率較低等問題。因此,研究者們開發了多種功能化策略以提高MOFs的吸附性能。本文綜述了近年來功能化MOFs的構建及其在水體污染物吸附中的應用,重點依據各類污染物的結構特性,對MOFs功能化策略進行了分類和總結,為未來設計製備具有更高選擇性、更強吸附性能的功能化MOFs材料提供參考。


文章簡介

基於此,青島理工大學馬繼平教授課題組與中國科學院煙臺海岸帶研究所陳令新研究員課題組合作,在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發表題為「Functional metal–organic frameworks as adsorbents used for water decontamination: design strategies and applications」的綜述論文。該文章總結了近年來功能化MOFs的構建策略及其應用於水體污染物吸附的研究進展。將MOFs的不同功能化策略分為四種主要類型:合成前修飾、合成後修飾、雜化/碳化、孔徑調節。根據各種污染物的相似化學性質,對提供相同吸附機理的MOFs功能化位點進行了分類,並詳細討論了能夠產生這些功能化位點的MOFs改性方法。最後提出了MOFs吸附劑在水體淨化領域面臨的挑戰和未來潛在的研究方向。


本文要點

要點一:作為水體污染物吸附劑的MOFs功能化策略

將MOFs的功能化策略分為四種主要類型:合成前修飾、合成後修飾、雜化/碳化、孔徑調節。早期功能化MOFs的研究主要集中於通過合成前修飾和合成後修飾使MOFs的有機配體含有特定功能基團。隨著研究的進一步深入,雜化/碳化等手段進一步豐富了MOFs材料中的功能基團。此外,通過將MOFs與其他材料雜化來可以有效解決粉末狀MOFs不易回收等問題,實現便捷的固液分離,將有效促進MOFs材料的實際應用潛力。近年來,在豐富各類化學功能基團作為吸附位點的基礎上,研究者們著力於調節MOFs的孔隙大小和骨架結構,加快固液傳質效率,從而獲得更好的吸附性能。


要點二:功能化MOFs 在重金屬吸附去除中的應用

水環境中毒性較大的重金屬主要包括氧化態的Cr(VI)、U(VI)等,元素態的Pb(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)等。這些重金屬在水中均呈離子狀態。因此,含有離子交換基團的MOFs、含有富電子路易斯鹼基團的MOFs,能夠對重金屬離子提供吸附作用力。此外通過調節MOFs的孔徑結構可以獲得更快的吸附速率。本文探討了對各類重金屬離子具有高效吸附能力的功能化MOFs,以及構建離子交換基團、路易斯鹼基團的功能化改性方式。總結了功能化MOFs材料對各類重金屬離子的吸附性能如飽和吸附量、吸附時間、可重複使用性等。由於重金屬離子在環境水體中的存在形式往往會隨著水體的狀態而變化,提出了功能化MOFs應用於吸附去除各類重金屬時仍需解決的問題。


要點三:功能化MOFs 在有機物吸附去除中的應用

將水環境中常見的有機污染物分為強極性/離子型化合物(如離子型染料、有機酸、全氟化合物等),弱極性化合物(如雙酚類、苯系物、多環芳烴等)、兩性化合物(如四環素類,喹諾酮類,β-內醯胺類抗生素)。有機污染物的吸附去除往往通過多種吸附作用力相結合。強極性/離子型化合物主要依靠靜電作用和離子交換作用。弱極性化合物主要依靠疏水作用、π-π共軛、氫鍵作用。兩性化合物的吸附需要多種作用力的相互結合。通過調節MOFs的微觀形貌和孔徑結構也可以提高MOFs材料的吸附效率。本文介紹了對各類有機污染物具有高效吸附能力的功能化MOFs,以及構建以上功能化基團的改性方式。總結了功能化MOFs材料對各類有機污染物的吸附性能,提出了功能化MOFs應用於吸附去除各類有機污染物時仍需解決的問題。

對未來的研究和MOFs吸附劑的進一步發展而言,功能化 MOFs在實際環境水處理中的應用仍存在各種機遇和挑戰:

  1. 就吸附機理而言:MOFs吸附劑的吸附機理往往結合了多種作用力,而每種作用力對吸附過程的貢獻程度有待進一步探索。此外,關於MOFs的微觀形貌和孔隙結構如何影響吸附和傳質過程,需要進行更深入的探索。
  2. 就吸附性能的評價方法而言:MOFs吸附劑在惡劣/複雜環境中的選擇性和穩定性需要更深入的研究。相較於傳統的靜態吸附,動態吸附更有利於考察MOFs吸附劑在水處理中的實用性。
  3. 就目標污染物而言:在實際環境水體中存在不同形式的重金屬離子、有機污染物的各類轉化產物,這些物質對環境水體仍具有較大危害。因此,需要開發對某類污染物具有更廣泛吸附性能的功能化MOFs。
  4. 就實際應用而言:需要開發大規模、低成本、環保的功能化MOFs生產方法。此外,在廉價基底上負載高效MOFs吸附劑也有望降低其應用成本。


​文章連結

Functional metal–organic frameworks as adsorbents used for water decontamination: design strategies and applications

Gege Wu, Jiping Ma*, Shuang Li, Jinhua Li, Xiaoyan Wang, Zhiyang Zhang, Lingxin Chen*

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta00279a


通 訊 作 者 簡 介

馬繼平,教授,博士生導師,青島理工大學環境與市政工程學院副院長,校分析測試中心主任。博士畢業於中國科學院大連化學物理研究所,清華大學博士後。主要從事環境新材料、環境污染物分析測試新技術等方面的研究。主持三項國家自然科學基金項目,承擔國家級、省部級等各類科研項目15項,發表學術論文70餘篇,2022年獲中國分析測試協會科學技術一等獎、2014年獲青島市科技進步二等獎獎、2020年獲山東省高校科技二等獎等各類獎項7項,完成制定3項國家環境保護標準。目前為中國儀器儀表學會分析儀器分會樣品製備專業委員會委員,中國海洋湖沼學會專業委員會委員,山東省低碳計量技術委員會委員,青島市分析測試學會理事。

陳令新,中國科學院煙臺海岸帶研究所研究員,博士生導師。2009年籌建成立「海岸帶生態環境分析、監測與污染控制技術」研究組。提出了以化學和地學等多學科交叉思路解決海岸帶生態環境監測與保護技術問題。針對海岸帶生態環境分析監測,利用納米材料、生物材料和光電磁等探測手段,構建微、納尺度分析傳感界面,深入監測新原理、新方法和新儀器裝置,為海岸帶生態環境分析監測和生態修復提供系統性、創造性解決方案。至今,出版《海洋環境分析監測技術》等中、英文著作3部。已在Nature Sustainability,Analytical Chemistry等期刊發表SCI收錄論文350餘篇。主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金等30餘項。入選2020,2021年度科睿唯安跨學科領域全球「高被引科學家」名單。現任中國海洋湖沼學會海岸帶可持續發展分會理事長;培養「國科大」研究生20餘名(其中,4人獲院長特別獎,3人獲院長優秀獎),獲「國科大」領雁銀獎(振翅獎)。

第 一 作 者 簡 介

吳閣格,青島理工大學副教授。主要研究領域為新型多孔材料的設計製備,及其在污染物吸附去除、樣品前處理技術中的應用。在J. Hazard. Mater., J. Colloid Interface Sci., Environ Res等國際高水平刊物上發表多篇學術論文。獲得中國分析測試協會科學技術獎一等獎,山東省高校科學技術二等獎等多項科技獎項。

關鍵字: