北京理工大学孙建科课题组《ACS Appl. Nano Mater.》：荷电多孔分子笼及其复合膜用于重金属含氧酸根的高效去除

点击蓝字关注我们

重金属离子排放所引起的水环境问题备受关注。重金属的含氧酸根（例如：CrO₄^2-、MnO₄^-、TcO₄^-、AsO₄^3-）大多都是以阴离子的形式存在，自身所带的负电荷不易被中性或者阴离子骨架结构的物质所吸附，容易迁移扩散至生物圈，对生态环境造成危害，在人体内富集也会产生严重毒理效应，因此开发高效净化材料至关重要。

近年来，微孔材料的兴起为高效去除含氧酸根提供了新的解决方案。与MOFs、COFs这类具有连续孔道的拓扑结构不同，有机分子笼是一种具有永久空腔结构的离散型有机分子，兼具多孔性与分子可溶性的特点。分子笼具有独立的内部空腔，且分子笼之间还会形成额外的堆砌孔。这些特点预示着分子笼可能具有良好的吸附能力和加工性。

近期，北京理工大学孙建科教授课题组在《ACS Applied Nano Materials》杂志上发表了题为“Nanoporous Cationic Organic Cages for Trapping Heavy Metal Oxyanions”的文章（DOI：10.1021/acsanm.1c03577）。该工作利用有机分子笼这类纳米多孔材料及其复合膜，实现了高效去除水溶液中重金属含氧酸根离子。北京理工大学化学与化工学院在读硕士研究生赵学静为该论文的第一作者，博士后刘四华为共同第一作者。

该课题组基于之前的研究工作，选择一种荷正电分子笼（I-Cage-Cl），利用分子笼骨架上的高密度正电荷以及分子笼内、外部孔等特质，在去除水中的CrO₄^2-污染物时呈现出高选择性和高吸附效率，吸附量可达540 mg g^-1，超过了大多数文献所报道的基于框架类多孔吸附材料。进一步利用分子笼的溶液可加工性，将I-Cage-Cl加工成膜，该膜能够将水溶液的Cr(Ⅵ)含量由10 ppm降低至0.073 ppm，这已达到美国国家环境保护局（EPA）所规定的生活饮用水标准。该工作为制备具有高性能的纳米多孔有机笼复合材料提供了一种简便的方法，为未来在传感、催化和吸附等领域的应用拓展提供了借鉴与启发。

图1. (a)I-Cage-Cl吸附CrO₄^2-后溶液中残留CrO₄^2-的液体紫外吸收光谱；(b)CrO₄^2-去除率随吸附时间曲线；(c) I-Cage-Cl吸附CrO₄^2-前后的红外谱图；(d)I-Cage-Cl吸附CrO₄^2-后的SEM图；(e) I-Cage-Cl吸附CrO₄^2-后的SEM-EDS元素分布图；(f)在I-Cage-Cl溶液加入1eq. CrO₄^2-前后的核磁谱图。

图2. (a) I-Cage-Cl对CrO₄^2-吸附的准二级吸附动力学模型；(b) I-Cage-Cl对CrO₄^2-的吸附等温线；(c) 不同种类和浓度下的竞争离子对I-Cage-Cl吸附CrO₄^2-的影响; (d) 吸附循环次数。

图3. (a) SPSf膜负载I-Cage-Cl前后的XPS谱图；(b) I-Cage-SPSf复合膜的上表面和截面的SEM-EDS谱图；(c) 原料液以及经SPSf膜和I-Cage-SPSf复合膜过滤后透过液的紫外吸光度谱图。[内插图：I-Cage-SPSf复合膜吸附Cr(Ⅵ)前后的颜色变化图 (上)；原料液和透过液的颜色对比(下)]；(d) I-Cage-SPSf复合膜对浓度为1和10 mg L^-1 Cr(Ⅵ)溶液的去除效率；(e) SPSf膜和I-Cage-SPS复合膜的水通量；(f) I-Cage-SPSf复合膜的循环再生性能。

作者简介

向上滑动阅览

孙建科，北京理工大学化学与化工学院教授，博士生导师，北京理工大学特立青年学者，入选国家级人才项目。研究方向聚焦于功能多孔材料化学与催化方面。迄今在Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.等国际著名期刊杂志发表论文30余篇，论文被引用3500次以上，多篇入选ESI高被引论文。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c03577

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。