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Nat. Commun. 接收李玉祥、王艳龙及杨再兴关于阳离子MOFs用于阴离子污染物去除的研究工作

日期:2017-9-5 14:26:40 人气:125 

阳离子型的金属有机框架材料(MOFs)是一种受到广泛关注的新型阳离子框架材料,而该材料的其中一个用途便是用于阴离子有机污染物的去除。目前为止,大多数这类化合物的孔道大小有限或为层状物质,水稳定性较差,并不是很适合用于处理水体中的污染物质。苏州大学放射医学与交叉科学研究院核能环境化学中心王殳凹教授团队长期致力于阳离子MOFs材料的合成及应用研究,近期成功合成了水稳定的介孔阳离子MOF材料,该结果成功发表在Nature Communications,题为“A Robust Mesoporous Cationic Thorium organic Framework that Rapidly Traps Large Anionic Persistent organic Pollutants”。该工作利用Th的金属盐和羧酸配体在离子热的条件下合成了水稳定的介孔阳离子MOFsSCU-8),为设计合成大孔阳离子MOFs材料开辟了新途径。

相比于其他过渡金属离子以及镧系金属离子,钍离子具有更高的电荷,易于形成金属簇,而以金属簇为节点往往会导致大的孔道结构以及更大的正电性,并且钍氧键具有一定的共价性,更易形成稳定的MOF结构。该工作利用离子热合成方法可以有效的避免钍的水解,最终合成出介孔阳离子MOF材料—SCU-8,通过单晶X衍射技术得到SCU-8孔道为蜂窝状的六边形孔道(图1c, d),连接结点为正电性的钍离子簇,其中含有三个Th4+离子。该阳离子MOF的内部孔道直径为2.2nm(图1c, e),比表面达到了1360 m2/ g,为当前阳离子MOF材料之最。

1 SCU-8 晶体结构以及N2吸附图

在重铬酸盐和甲基蓝的水溶液中加入SCU-8后,可以明显的看到溶液很快变澄清,晶体的颜色分别变成黄色和蓝色(图2),其中阴离子染料甲基蓝的分子大小约为1.9 nm,正好与SCU-8的孔道匹配。通过对吸附过程中不同时间的染料溶液的紫外可见吸收光谱变化非常明显(图2),从侧面证明了SCU-8材料的正电性以及孔道大的特点。

2 SCU-8对重铬酸根以及甲基蓝的去除

全氟辛烷磺酸(PFOS)在环境中以阴离子有机分子的形式存在,在2009年被列为斯德哥尔摩公约中禁止的持久性有机污染物,其分子大小约为1.7nm。研究结果表明,SCU-8用于PFOS的去除。当PFOS的浓度为1ppm时,在30sSCU-8对其该分子的去除率达到了88%,与其它材料相比,其吸附速率也最快(图3a)。当竞争阴离子(硝酸根、碳酸根、氯离子、硫酸根)大于50倍的情况下,SCU-8PFOS的去除率仍超过70%,其性能优于其它材料(图3b)。此外,还通过分子动力学对SCU-8吸附PFOS过程进行模拟对吸附机理进行了探讨,在吸附过程中存在四种作用力包括静电作用、疏水作用以及氢键、范德华力,这也是首次通过理论计算的方法,给出了吸附PFOS过程的驱动力情况(图4)。

3 不同材料的PFOS吸附动力学以及竞争吸附

4 SCU-8吸附PFOS的动力学模拟

苏州大学放射医学及交叉科学研究院李玉祥科研助理、王艳龙讲师(实验设计与合成)与杨再兴(分子动力学模拟)副研究员为本论文共同第一作者。王殳凹教授和周如鸿教授为通讯作者。合作单位有哥伦比亚大学及佛罗里达州立大学。该工作得到了国家自然科学基金委员会优秀青年基金、中组部“青年千人计划”和江苏省杰出青年基金的资助。