北工大Nat. Mater：有了這種MOF，污染氣中的苯無處藏身！

一、【導讀】

苯等揮發性有機化合物（VOCs）是一類有毒污染物，可造成室內外空氣污染，即使在微量濃度下也會造成環境和健康問題。目前去除室內空氣中苯的方法有等離子體氧化法、光催化氧化法和活性炭吸附法等。氧化的方法常用于降解苯，但同時會產生二次污染物（CO、NO_x和O₃）。由于吸附劑使用方便、回收再利用的能耗相對較低，物理吸附劑是去除污染空氣中苯的良好選擇。然而，目前多種物理吸附劑材料與吸附物之間的相互作用較弱，因此在去除痕量苯的過程中通常表現出較差的選擇性和較低的吸附量。

二、【成果掠影】

近日，北京工業大學李建榮教授、聶祚仁院士與利莫瑞克大學Michael J. Zaworotko教授等人合作報道了一系列雙壁金屬-吡唑框架，BUT-53~BUT-58，它們在常溫低壓下表現出優異的痕量苯吸附性能：298K、<10 Pa的苯吸附量高達2.47~3.28 mmol g^-1。動態穿透實驗表明，BUT-55具有最佳的痕量苯吸附性能：含苯的污染空氣流經吸附劑后可獲得苯含量低于可接受極限的清潔空氣，而吸附后的BUT-55通過溫和加熱處理即可重復使用。綜上，BUT-55是一種可回收的高效物理吸附劑，對苯具有很強的親和力和良好的捕獲能力，有望應用于實際條件下苯污染氣體凈化及環境修復。研究成果以題為“Trace removal of benzene vapour using double-walled metal–dipyrazolate frameworks”發表在知名期刊Nature Materials上，北京工業大學為本論文的第一單位。

三、【核心創新點】

1、BUT-53~BUT-58，展示了非常優異的常溫低壓痕量苯吸附性能，在<10 Pa和298 K條件下具有優異的苯吸附能力。

2、BUT-53~BUT-57在空氣氣氛保持1年后仍能夠保持結構穩定。

3、BUT-55能夠去除氣體中的痕量苯，將空氣氣氛中的苯濃度維持在可接受范圍。

4、機理研究表明，通過MOF孔表面與苯分子之間的弱相互作用（C-H…X）及限域協同，實現了較好的苯吸附能力。同時通過簡單的溫和熱處理，能夠實現材料的重復利用。

四、【數據概覽】

圖一、BUT-53~BUT-58的構筑策略

雙壁金屬-雙吡唑框架的示意圖，帶有角型（BUT-53，BUT-54）和線型（BUT-55至BUT-58）雙吡唑配體以及基于Co²⁺和Zn²⁺的RBBs。

圖二、BUT-55/BUT-58和Co(BDP)/Zn(BDP)結構對比

（a-c）BUT-55和BUT-58的鋸齒形的RBB，交錯堆疊的BDP^2-配體以及雙壁三維框架結構。

（d-f）Co(BDP)和Zn(BDP)的鏈狀RBB，BDP^2-配體以及單壁三維框架結構。

圖三、苯的吸附性能研究

（a）298 K的BUT-53~BUT-58苯吸附等溫線。

（b）低壓條件BUT-53~BUT-58的苯吸附性能圖。

（c）BUT-53~BUT-58與代表性多孔吸附劑的低壓苯吸附性能比較。

（d）在298K下，不同相對濕度條件下BUT-55和Co(BDP)的苯吸附穿透曲線。

圖四、BUT-55的原位變壓PXRD

從0到8.53 kPa的苯壓力下BUT-55吸附苯后和120℃解吸后的PXRD圖譜。

圖五、C₆H₆@BUT-55的SCXRD結構和DFT計算

（a）沿c軸方向看到位于孔中吸附的苯分子。

（b,d）吸附苯分子在位點I和位點II的結合位點，其中藍色虛線代表C-H···π作用力，粉紅色虛線代表C-H···N作用力。

（e）吸附的苯分子之間的相互作用。

（c,f）在BUT-55中，位點I和位點II與被吸附苯分子相互作用的電荷密度差等值面。

五、【成果啟示】

BUT-53~BUT-58，展示了非常優異的常溫低壓痕量苯吸附性能，在<10 Pa、298 K條件下的苯吸附量高達2.47~3.28 mmol g^-1。動態穿透實驗結果表明，BUT-55具有痕量苯捕獲能力，吸附后的BUT-55通過溫和加熱處理即可重復使用。通過吸附苯的BUT-55晶體結構（C₆H₆@BUT-55）表征結合DFT計算，表明BUT-55呈現優異苯吸附能力的原因是框架中存在多重C-H…X相互作用。研究結果表明BUT-55能夠作為一種可循環使用的物理吸附劑，具有較強的苯分子親和力、吸附能力，有望用于苯污染氣體凈化及環境修復。

文獻鏈接：Trace removal of benzene vapour using double-walled metal–dipyrazolate frameworks (Nat. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01237-x)

本文由大兵哥供稿。

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