發光晶體LMOF對污水的“告白”

材料牛注：金屬有機框架（MOF）由于其獨特的三維框架結構廣受關注。近日，研究人員發現一種發光金屬有機框架(LMOF)，它能夠定位并吸附污水中的有毒重金屬從而實現凈化水源的目的。都說最好的愛是讓對方變得更好更優秀，那么LMOF對污水不正是愛得深沉，我愿意為你洗掉你身上的有害物質，讓你變得更好！這就是LMOF對污水的告白。

發光晶體可用于檢測和捕獲如鉛和汞等微量的重金屬毒素，從而成為定位和清理污染水源的一種新的強大工具。

有報道稱在密歇根州弗林特市和紐瓦克新澤西州的飲用水中發現了高濃度的重金屬，所以羅格斯大學研究人員在勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）使用強X射線，探測他們開發的晶體的結構，并了解它們與重金屬結合方式。

該晶體具有類似于微型、可重復使用的傳感器和陷阱的功能，被稱為發光金屬有機框架（LMOF）。

檢測和捕獲重金屬的最佳執行者

根據Applied Materials and Interfaces發表的最新研究結果，該團隊測試的一種類型的LMOF被發現在30分鐘內從重金屬和輕金屬的測試混合物中選擇性地吸收了超過99％的汞。該團隊報告說，沒有其他MOF既能檢測又能捕獲或“吸附”有毒重金屬這一雙重功效。

伯克利實驗室的一名科研人員Simon Teat在實驗室的高級光源（ALS）下研究了單個LMOF晶體結構，發現每個晶體的測量值約為100微米。通過X射線光撞擊LMOF樣品產生的衍射圖案，利用Teat應用軟件工具以原子分辨率繪制出其三維結構。

ALS是世界上僅有的幾個同步加速器X射線光源之一，專門用來作為結晶化合物（例如MOF）的化學晶體學研究。

一切都從結構開始

Simon Teat發現LMOF晶體為網格狀3-D結構，含有碳，氫，氧，氮和鋅元素，它們構成了大的開放通道。這些原子尺度的結構細節是了解LMOF如何結合重金屬的關鍵，也可以幫助科研人員設計出更高度專業的結構。

Teat解釋說：“MOF的使用是利用其豐富的孔隙結構。在這種情況下，該結構允許重金屬進入這些開放通道并化學結合到MOF上”。

豐富開放的框架結構給予MOF相當大的比表面積，這使得它們可以吸收大量的污染物。

一般材料設計時會通過在LMOF結構中摻入熒光化學組分或配體來使LMOF發光。 “當金屬與熒光配體結合時，產生的框架會發熒光，”Teat說道。 而LMOF在與重金屬相互作用時不會發出熒光。

據羅格斯大學化學教授Jing Li介紹，這項技術在很大程度上節約成本。 “其他研究人員已經制備出了可以用于檢測重金屬或去除重金屬的MOF材料，但是沒有人真正調查過這兩者之間的作用機理，”Li補充說道。

在同步加速器中產生的強X射線是設計制備MOF3-D結構的最佳方法，Li表示，“晶體結構是我們研究的最重要的方面之一，知道了晶體結構才能進行后續的表征，從而理解這些材料的性質。”

MOFs具有化學選擇性且可回收

在測試中，研究人員發現LMOF與汞和鉛結合牢固，但與水中存在的較輕金屬（如鎂和鈣）結合較弱，但輕元素不會造成重元素那樣的危害。

“這種基于LMOF的分子組成所帶來的選擇性的特點，對于我們來說非常重要。 我們可以利用其選擇性來帶走水中的有害物質。”Li說道。

LMOF也可以回收利用。研究人員發現，LMOFs可以進行收集，清潔，然后重復使用，經過三個周期后性能才會開始下降。

下一步計劃

研究表明，大量工業化區域與水法規陳舊的城市和農業社區特別容易受到地下水污染，如果不解決，可能導致土壤污染。從而導致污染物被周圍環境中的植物和動物攝取，從而拓寬了接觸途徑。

Li表示，進一步的研發可以探索更低成本和更持久的LMOF材料，讓其可以持續更多的周期，研究人員也可以通過混合LMOF與聚合物，以創造一個固體膜，進而開發水過濾器，實現更大規模的重金屬吸附。

在資金充足的情況下，Li所在的研究團隊想基于實際污染水源的性能做一個系統的測試。“我們想繼續開展這項研究，這些想法都是有希望實現的，但距離實現我們還有很長的路要走。”

Li所在的研究團隊通過伯克利實驗室的ALS光源來確定MOF的晶體結構，并將其應用于其他領域，包括高爆炸物檢測、食品中的毒素檢測和新型的用于LED的發光部件（熒光粉）。

達拉斯瑞德大學和德克薩斯大學的研究人員也參與了這項研究。這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。

原文鏈接：Glowing crystals can detect, cleanse contaminated drinking water.

文獻鏈接：Highly Efficient Luminescent Metal–Organic Framework for the Simultaneous Detection and Removal of Heavy Metals from Water.

本文由材料人編輯部武俊生提供素材，應豆編譯，點我加入材料人編輯部。

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