北京化工大學Nat. Commun.: 用于重金屬離子捕獲和分散的多功能MOF阱

【引言】

水質安全是全人類共同關心的問題，因此發展高效的重金屬離子脫除方法十分重要，其中吸附分離是最重要的技術手段之一。但是，目前用于水中重金屬離子捕獲的吸附材料都具有很大局限性，通常只對一種或幾種金屬離子適用，嚴重限制其在真實污水處理中的應用。因此，研發具有普適性的重金屬離子高效吸附材料具有十分重要的意義。

【成果簡介】

近日，北京化工大學仲崇立教授、黃宏亮副教授(共同通訊作者)等人在Nature Communications發表了題為“A versatile MOF-based trap for heavy metal ion capture and dispersion”的研究論文，報道了MOF用于重金屬離子高效捕獲的最新研究成果。研究團隊在多年的MOFs設計和制備的基礎上，通過甲酸基取代，將金屬離子螯合劑EDTA引入到了MOF-808中，獲得了適用于多種金屬離子高效捕獲的新型吸附材料。對于20余種金屬離子的吸附和穿透試驗表明，MOF-808-EDTA具有很強的重金屬吸附能力，脫除率均達到了99%以上。同時，由于MOF-808中甲酸基的有序結構，甲酸基取代后的MOF-808-EDTA也具有有序的結構。特別是，由于一個EDTA只能螯合一個金屬離子，本工作也提供了一個制備原子分散的金屬催化劑的方法。

【圖文導讀】

圖1 寬譜重金屬離子阱(BS-HMT)概念示意圖

MOF-808中有序的HCOOH(a)可以被EDTA取代形成具有有序EDTA的MOF-808(b)，然后作為BS-HMT(c)用于金屬離子捕獲。

圖2 MOF-808和MOF-808-EDTA表征

(a-c)兩種MOF的結構示意圖，及其粉末XRD譜；

(d-e)兩種MOF的N₂等溫吸脫附曲線及孔徑分布；

(f-g)兩種MOF的SEM圖(標尺: 500nm)；

(h)分別為KOH/D₂O溶液中堿消化的MOF-808-EDTA(A)、堿消化的MOF-808(B)、EDTA-2Na(C)和H₃BTC(D)的¹H NMR譜。

圖3 單組份體系中重金屬離子的去除效率

分別為MOF-808-EDTA(a-c)、MOF-808-OX(d-f)和MOF-808-TGA(g-i)對硬Lewis酸金屬離子、軟Lewis酸金屬離子和臨界Lewis酸金屬離子的去除效率。

圖4 MOF-808-EDTA捕獲金屬離子前后的表征

分別為MOF-808-EDTA負載La³⁺、Hg²⁺和Pb²⁺前后的寬掃描XPS譜(a-c)和FI-IR譜(d-f)。

圖5 MOF-808-EDTA在多組分系統中的捕獲性能

(a)間歇吸附時19種金屬離子的同時去除效率；

(b)固定床吸附時的穿透曲線。

圖6 金屬離子在MOF-808-EDTA中的分布

(a)MOF-808-EDTA的STEM-HAADF圖(標尺: 100nm)和相應的元素分布；

(b-d)單金屬體系的STEM-HAADF圖(標尺: 100nm)和相應的元素分布(分別為負載La³⁺、Hg²⁺和Pb²⁺的MOF-808-EDTA)；

(e)雙金屬體系的STEM-HAADF圖(標尺: 100nm)和相應的元素分布(負載Co²⁺和Ni²⁺的MOF-808-EDTA)；

(f)三金屬體系的STEM-HAADF圖(標尺: 100nm)和相應的元素分布(負載Cu²⁺、Rh³⁺和Ru³⁺的MOF-808-EDTA)。

【小結】

本文針對目前吸附材料的局限性，提出了將EDTA引入MOF中獲得寬譜重金屬離子阱(BS-HMT)的設想，并制備了MOF-808-EDTA進行了驗證。結果顯示，新型MOF吸附材料對22種金屬離子均能高效捕獲(＞99%)，具有非常好的普適性和應用前景。另外，BS-HMT策略對單/多金屬催化的制備也具有十分重要的啟發意義。

【通訊作者及團隊簡介】

仲崇立，北京化工大學教授，國家杰出青年基金獲得者，長江學者特聘教授。其所領導的“先進納微結構材料設計與制備”團隊，包含國家優青2人，副教授1人，主要從事面對化工、能源、環境等領域應用的新材料設計與制備，采用的研究手段包括量化計算、分子模擬、基因組學設計和實驗制備，形成了“計算引領下的材料設計與制備”的研究特色。團隊發表SCI收錄論文250余篇，包括Nat. Commnu., Chem. Rev., JACS, Angew. Chem. Int. Ed.等刊物，被Science, Nature, Nat. Mater. 等刊物SCI他引5000余次，獲高校自然科學獎等6項科技與人才獎勵。

文獻鏈接：A versatile MOF-based trap for heavy metal ion capture and dispersion?(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-017-02600-2)。

感謝仲崇立教授對本文的斧正及材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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