北航单光存教授团队通过对锆基金属有机框架材料进行氮官能化修饰增强碘吸附效果

研究背景

核废料(特别是放射性碘)的泄露，是全世界关注的重大环境安全问题。为了有效地去除核废料中的放射性碘，研究具有高稳定性和优异吸附性能的碘吸附材料具有重要意义。金属有机框架（MOFs）是一种新兴的超多孔、多功能纳米材料，由有机配体和金属团簇通过配位键自组装形成，具有分子内孔隙的有机-无机杂化结构，具有比表面积大、孔隙度高、结构多样、易于修饰的优点。因此其作为放射性碘核素的理想吸附材料，获得了广泛的关注和研究。

研究创新内容

近期，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院单光存教授团队，合成了两种锆基金属有机框架材料（Zr-MOFs）及其氮官能化后的衍生物，并对其在气态和溶液中碘的吸附行为进行了探究。相关研究成果以〝Combined experimental and theoretical studies on iodine capture of Zr-based metal-organic frameworks: Effect of N-functionalization and adsorption mechanism〞（锆基金属有机框架材料碘吸附的实验和理论研究：氮修饰的作用及其吸附机理）为题，发表在材料科学领域的国际期刊Materials Today Sustainability上。北京航空航天大学单光存教授为本文的通讯作者。

图1.两种锆基金属有机框架材料（Zr-MOFs）及其氮官能化后的衍生物化学结构图

相关研究发现，与未官能化的材料（UiO-66和UiO-67）相比，具有含氮配体（如吡啶和氨基）的Zr-MOFs表现出更快的碘吸附速率和更高的碘吸附容量（如图2所示）。其中，UiO-66-PYDC和UiO-67-NH₂的最大吸附容量分别达到了919.50 mg/g和1143.98 mg/g。随后经过吸附模型拟合、X射线光电子能谱测试（XPS）、拉曼光谱表征、传质扩散过程分析以及密度泛函理论（DFT）计算，揭示了含氮基团具有增强材料碘吸附性能的关键作用，而吡啶基团相较于氨基基团对碘分子表现出了更强的吸附亲和性（图4）。值得注意的是，经过四次循环吸附实验验证（如图3所示），含氮的Zr-MOFs吸附剂（特别是UiO-66-PYDC和UiO-67-NH2）能够实现性能再生和重复使用，而碘吸附容量不会发生明显降低。

图2. UiO材料氮官能化对(a-b)气态碘和(c-d)溶液碘的吸附速率和吸附容量的影响。

图3. (a)UiO材料对溶液碘的吸附等温线与吸附后溶液的照片; (b-e) UiO材料的循环吸附性能。

图4. UiO-66、UiO-66-NH₂和UiO-66-PYDC材料碘吸附后的差分电荷密度(VASP仿真计算)

这项工作系统地揭示了含氮基团在碘吸附方面能够发挥关键作用，氮官能化能够有效提高吸附剂对碘的吸附性能，同时表明了氮官能化的MOF材料对从核废料中去除放射性碘具有大的应用潜力。

致谢：本工作由国家重点研发计划海洋环境安全保障专项课题(课题号：2016YFC1402504)和北京航空航天大学博士研究生卓越学术基金资助。

参考文献

[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.

通讯作者简介

About the Author

单光存，北京航空航天大学仪器光电工程学院教授、博士生导师；GCSP项目主任；德国萨尔大学访问教授。2004年毕业于西安交通大学获学士学位，2007年毕业于复旦大学获硕士学位，2013年于香港城市大学获博士学位。主要研究兴趣包括功能合金材料与材料基因工程、精密仪器与海洋放射性环境监测仪器、二维材料与柔性电子技术、人工智能与智能机器人系统。近年来围绕微纳多孔材料在应用中待解决的关键科学问题，在微纳多孔材料的绿色可控制备、粉体结构解析及在复杂海水中核素的现场快速吸附富集机理和去除等方面开展了深入的原创性工作；在Phys. Rev. Lett.、Research、Materials Today Physics、CAS Materials Letters、Materials Today Sustainability及Applied Materials Today等期刊发表论文百余篇，研究成果在海上放射性核素的富集检测以及含放射性核素的海水处置装置中应用；同时，还指导博士生在放射性核素吸附的创新工作荣获了2022 Falling Walls Lab Beijing (国际跨界创新挑战赛-中国北京) 第三名。现任Frontiers of Physics期刊Division Editor，Sustainable Horizons期刊编委及IEEE Access副编辑等。

IEEE Journal of Quantum Electronics、Nano Letters、AFM、Physics Letters A、Applied Surface Science、Nanoscale、IEEE Photonics Journal、Applied Physics Letters等期刊审稿人。与诺贝尔物理学奖得主Kostya Novoselov教授合作为Frontiers of Physics期刊组织“石墨烯与其他二维材料”专辑[Special Topic: Graphene and other Two-Dimensional Materials (Eds. Daria Andreeva, Wencai Ren, Guangcun Shan & Kostya Novoselov)]。

荣获第13届北京发明创新大赛银奖、2018香港王宽诚教育基金会奖励、中国航空学会科技进步奖技术发明奖、英国物理学会2020 JPCM Emerging Leaders(青年领军人)、中国工程院Engineering Excellent Youth Expert Award、2022中国产学研合作创新奖及2023中国生物医学工程大会青年优秀论文奖等荣誉。