北京化工大学Nat. Commun.: 用于重金属离子捕获和分散的多功能MOF阱

【引言】

水质安全是全人类共同关心的问题，因此发展高效的重金属离子脱除方法十分重要，其中吸附分离是最重要的技术手段之一。但是，目前用于水中重金属离子捕获的吸附材料都具有很大局限性，通常只对一种或几种金属离子适用，严重限制其在真实污水处理中的应用。因此，研发具有普适性的重金属离子高效吸附材料具有十分重要的意义。

【成果简介】

近日，北京化工大学仲崇立教授、黄宏亮副教授(共同通讯作者)等人在Nature Communications发表了题为“A versatile MOF-based trap for heavy metal ion capture and dispersion”的研究论文，报道了MOF用于重金属离子高效捕获的最新研究成果。研究团队在多年的MOFs设计和制备的基础上，通过甲酸基取代，将金属离子螯合剂EDTA引入到了MOF-808中，获得了适用于多种金属离子高效捕获的新型吸附材料。对于20余种金属离子的吸附和穿透试验表明，MOF-808-EDTA具有很强的重金属吸附能力，脱除率均达到了99%以上。同时，由于MOF-808中甲酸基的有序结构，甲酸基取代后的MOF-808-EDTA也具有有序的结构。特别是，由于一个EDTA只能螯合一个金属离子，本工作也提供了一个制备原子分散的金属催化剂的方法。

【图文导读】

图1 宽谱重金属离子阱(BS-HMT)概念示意图

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)，然后作为BS-HMT(c)用于金属离子捕获。

图2 MOF-808和MOF-808-EDTA表征

(a-c)两种MOF的结构示意图，及其粉末XRD谱；

(d-e)两种MOF的N₂等温吸脱附曲线及孔径分布；

(f-g)两种MOF的SEM图(标尺: 500nm)；

(h)分别为KOH/D₂O溶液中碱消化的MOF-808-EDTA(A)、碱消化的MOF-808(B)、EDTA-2Na(C)和H₃BTC(D)的¹H NMR谱。

图3 单组份体系中重金属离子的去除效率

分别为MOF-808-EDTA(a-c)、MOF-808-OX(d-f)和MOF-808-TGA(g-i)对硬Lewis酸金属离子、软Lewis酸金属离子和临界Lewis酸金属离子的去除效率。

图4 MOF-808-EDTA捕获金属离子前后的表征

分别为MOF-808-EDTA负载La³⁺、Hg²⁺和Pb²⁺前后的宽扫描XPS谱(a-c)和FI-IR谱(d-f)。

图5 MOF-808-EDTA在多组分系统中的捕获性能

(a)间歇吸附时19种金属离子的同时去除效率；

(b)固定床吸附时的穿透曲线。

图6 金属离子在MOF-808-EDTA中的分布

(a)MOF-808-EDTA的STEM-HAADF图(标尺: 100nm)和相应的元素分布；

(b-d)单金属体系的STEM-HAADF图(标尺: 100nm)和相应的元素分布(分别为负载La³⁺、Hg²⁺和Pb²⁺的MOF-808-EDTA)；

(e)双金属体系的STEM-HAADF图(标尺: 100nm)和相应的元素分布(负载Co²⁺和Ni²⁺的MOF-808-EDTA)；

(f)三金属体系的STEM-HAADF图(标尺: 100nm)和相应的元素分布(负载Cu²⁺、Rh³⁺和Ru³⁺的MOF-808-EDTA)。

【小结】

本文针对目前吸附材料的局限性，提出了将EDTA引入MOF中获得宽谱重金属离子阱(BS-HMT)的设想，并制备了MOF-808-EDTA进行了验证。结果显示，新型MOF吸附材料对22种金属离子均能高效捕获(＞99%)，具有非常好的普适性和应用前景。另外，BS-HMT策略对单/多金属催化的制备也具有十分重要的启发意义。

【通讯作者及团队简介】

仲崇立，北京化工大学教授，国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授。其所领导的“先进纳微结构材料设计与制备”团队，包含国家优青2人，副教授1人，主要从事面对化工、能源、环境等领域应用的新材料设计与制备，采用的研究手段包括量化计算、分子模拟、基因组学设计和实验制备，形成了“计算引领下的材料设计与制备”的研究特色。团队发表SCI收录论文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，获高校自然科学奖等6项科技与人才奖励。

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

感谢仲崇立教授对本文的斧正及材料人编辑部的指导！

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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