北航單光存教授團隊通過對鋯基金屬有機框架材料進行氮官能化修飾增強碘吸附效果

研究背景

核廢料(特別是放射性碘)的泄露，是全世界關注的重大環境安全問題。為了有效地去除核廢料中的放射性碘，研究具有高穩定性和優異吸附性能的碘吸附材料具有重要意義。金屬有機框架（MOFs）是一種新興的超多孔、多功能納米材料，由有機配體和金屬團簇通過配位鍵自組裝形成，具有分子內孔隙的有機-無機雜化結構，具有比表面積大、孔隙度高、結構多樣、易于修飾的優點。因此其作為放射性碘核素的理想吸附材料，獲得了廣泛的關注和研究。

研究創新內容

近期，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院單光存教授團隊，合成了兩種鋯基金屬有機框架材料（Zr-MOFs）及其氮官能化后的衍生物，并對其在氣態和溶液中碘的吸附行為進行了探究。相關研究成果以〝Combined experimental and theoretical studies on iodine capture of?Zr-based metal-organic frameworks: Effect of N-functionalization and?adsorption mechanism〞（鋯基金屬有機框架材料碘吸附的實驗和理論研究：氮修飾的作用及其吸附機理）為題，發表在材料科學領域的國際期刊Materials Today Sustainability上。北京航空航天大學單光存教授為本文的通訊作者。

圖1.兩種鋯基金屬有機框架材料（Zr-MOFs）及其氮官能化后的衍生物化學結構圖

相關研究發現，與未官能化的材料（UiO-66和UiO-67）相比，具有含氮配體（如吡啶和氨基）的Zr-MOFs表現出更快的碘吸附速率和更高的碘吸附容量（如圖2所示）。其中，UiO-66-PYDC和UiO-67-NH₂的最大吸附容量分別達到了919.50 mg/g和1143.98 mg/g。隨后經過吸附模型擬合、X射線光電子能譜測試（XPS）、拉曼光譜表征、傳質擴散過程分析以及密度泛函理論（DFT）計算，揭示了含氮基團具有增強材料碘吸附性能的關鍵作用，而吡啶基團相較于氨基基團對碘分子表現出了更強的吸附親和性（圖4）。值得注意的是，經過四次循環吸附實驗驗證（如圖3所示），含氮的Zr-MOFs吸附劑（特別是UiO-66-PYDC和UiO-67-NH2）能夠實現性能再生和重復使用，而碘吸附容量不會發生明顯降低。

圖2. UiO材料氮官能化對(a-b)氣態碘和(c-d)溶液碘的吸附速率和吸附容量的影響。

圖3. (a)UiO材料對溶液碘的吸附等溫線與吸附后溶液的照片; (b-e) UiO材料的循環吸附性能。

圖4. UiO-66、UiO-66-NH₂和UiO-66-PYDC材料碘吸附后的差分電荷密度(VASP仿真計算)

這項工作系統地揭示了含氮基團在碘吸附方面能夠發揮關鍵作用，氮官能化能夠有效提高吸附劑對碘的吸附性能，同時表明了氮官能化的MOF材料對從核廢料中去除放射性碘具有大的應用潛力。

致謝：本工作由國家重點研發計劃海洋環境安全保障專項課題(課題號：2016YFC1402504)和北京航空航天大學博士研究生卓越學術基金資助。

參考文獻

[1] J. Liang, H.Y. Tan, J.M. Liu, H.Z.?Qi, X. Li, L. Wu, X.F. Xue and G.C. Shan. Combined experimental and theoretical studies on iodine capture of?Zr-based metal-organic frameworks: Effect of N-functionalization and?adsorption mechanism. Materials Today Sustainability, 2023, 24, 100574.

通訊作者簡介

About the Author

單光存，北京航空航天大學儀器光電工程學院教授、博士生導師；GCSP項目主任；德國薩爾大學訪問教授。2004年畢業于西安交通大學獲學士學位，2007年畢業于復旦大學獲碩士學位，2013年于香港城市大學獲博士學位。主要研究興趣包括功能合金材料與材料基因工程、精密儀器與海洋放射性環境監測儀器、二維材料與柔性電子技術、人工智能與智能機器人系統。近年來圍繞微納多孔材料在應用中待解決的關鍵科學問題，在微納多孔材料的綠色可控制備、粉體結構解析及在復雜海水中核素的現場快速吸附富集機理和去除等方面開展了深入的原創性工作；在Phys. Rev. Lett.、Research、Materials?Today?Physics、CAS Materials?Letters、Materials Today Sustainability及Applied?Materials Today等期刊發表論文百余篇，研究成果在海上放射性核素的富集檢測以及含放射性核素的海水處置裝置中應用；同時，還指導博士生在放射性核素吸附的創新工作榮獲了2022 Falling Walls Lab Beijing (國際跨界創新挑戰賽-中國北京) 第三名。現任Frontiers of Physics期刊Division Editor，Sustainable?Horizons期刊編委及IEEE Access副編輯等。

IEEE Journal of Quantum Electronics、Nano?Letters、AFM、Physics Letters A、Applied Surface Science、Nanoscale、IEEE Photonics Journal、Applied Physics Letters等期刊審稿人。與諾貝爾物理學獎得主Kostya Novoselov教授合作為Frontiers of Physics期刊組織“石墨烯與其他二維材料”專輯[Special Topic:?Graphene and other Two-Dimensional Materials?(Eds. Daria Andreeva, Wencai Ren, Guangcun Shan & Kostya Novoselov)]。

榮獲第13屆北京發明創新大賽銀獎、2018香港王寬誠教育基金會獎勵、中國航空學會科技進步獎技術發明獎、英國物理學會2020 JPCM Emerging Leaders(青年領軍人)、中國工程院Engineering Excellent Youth Expert Award、2022中國產學研合作創新獎及2023中國生物醫學工程大會青年優秀論文獎等榮譽。