The Innovation | 有序多孔COFs：去除水中污染物的优良吸附剂

导 读

共价有机框架材料（COFs）是一类新型多孔晶体材料，具有规则孔道、高比表面积、结构稳定等特点。这些特性赋予它们独特的性能，使得它们对水体环境中的重金属离子、放射性核素以及有机污染物表现出良好的吸附性能。本文系统总结了近年来COFs及其复合材料在去除水中重金属离子、放射性核素和有机污染物方面的研究；讨论了COFs材料与污染物的相互作用机理（图1）。

图1 图文概述

COFs作为一类新型多孔晶体材料，主要由B、C、N、O和H等元素通过共价键如B-O、C-N、B-N、C-C和C-N连接而成。在过去十几年的发展中，研究人员合成了二维、三维以及各种基于COFs的复合材料（图2A）。COFs材料的结构主要取决于有机配体的组装，具有结构多样性的特点（图2B）。由于COFs材料具有质量密度低、热稳定性好、孔隙率和比表面积高等特点，在环境污染治理领域具有广泛的应用前景。

图2 (A) COFs基材料的发展里程碑；(B) 合成COFs结构的示例。

环境污染导致地表水中有毒重金属离子含量超标，给人类的生活带来了巨大的危害。功能化的COFs材料在重金属离子去除方面具有潜在的应用价值，表面修饰的COFs对多种重金属离子表现出良好的选择性吸附性能（图3），提高了去除效率。

图3 COFs基材料对重金属离子的吸附机理。

核电厂产生的乏燃料中含有U(VI)、Eu(III)、Th(IV)、TcO₄^-、¹²⁹I^-、Co²⁺、Cs⁺、Sr²⁺等放射性核素，对人类健康和环境产生了巨大危害。近年来，COFs基材料在富集放射性核素方面研究表现出巨大的潜力。例如，偕胺肟基团修饰的COFs对铀酰离子具有优良的吸附性能：一方面偕胺肟与铀酰离子之间存在螯合配位作用（图4A），另一方面COFs的有序孔道有利于铀酰离子的迁移（图4B）。研究人员还发现磺酸基修饰的COFs材料也可实现U(VI)的高效去除（图4C、D）。

图4 COFs材料对U(VI)高效去除机理。

水体中有机污染物的去除是一个具有挑战性的环境问题。功能化COFs材料具有丰富的吸附活性位点、高比表面积、可调节的孔道尺寸，在有机污染物的去除方面具有重要的优势（图5）。研究表明，COFs材料吸附有机污染物的机理包括：静电吸附、π-π相互作用、氢键相互作用，表面络合作用、分子筛分和官能团选择性。

图5  COFs材料的制备和去除有机污染物的机理。

采用密度泛函理论研究COFs材料与污染物分子的几何配位构型、电子结构、成键性质、结合强度、预测可能的反应机理，计算反应Gibbs自由能等热力学数据来指导实验的开展。通过对污染物分子与有机配体相互作用理论模拟筛选出优良的配体，为新型COFs材料的功能化制备提供一定的指导（图6）。

图6 COFs材料与污染物的DFT理论计算。

总结和展望

本文总结了近年来COFs材料在去除水环境中重金属离子、放射性核素和有机污染物方面的研究进展。归纳了功能COFs材料的合成策略、吸附污染物的性能、表征方法、以及机理研究，揭示了COFs材料结构和性能之间的构效关系。总结了COFs材料在水环境污染物去除方面的不足，以及展望了COFs材料在污染物治理方面的发展与应用前景。

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原文链接：

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00001-1

本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 将于2021年第一期发表的Review 文章“Orderly porous covalent organic frameworks-based materials: superior adsorbents for pollutants removal from aqueous solutions” (投稿: 20200906；接收: 20210103；在线刊出：20210104；DOI：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100076）

作者简介

王祥科，华北电力大学环境科学与工程学院博士生导师，教授。主要从事三废治理、纳米材料在废水处理、等离子体技术应用、环境污染检测和治理中的应用等方面的研究工作。主持与参加了重点基金、国家973项目、国家重点研发计划课题等多项研究。近几年以通讯作者在国际学术期刊如Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Environ. Sci. Technol., Chem. Sci., Water Res., Sci. China Chem.等重要杂志发表SCI论文400余篇，其中邀请综述10多篇，论文多次被评为研究亮点及被选为封面论文。

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