马继平教授课题组&陈令新研究员课题组JMCA：用作水净化吸附剂的功能性金属-有机框架：设计策略和应用

第一作者：吴阁格

通讯作者：马继平*，陈令新*

单位：青岛理工大学，中国科学院烟台海岸带研究所

近年来，随着各类污染物在环境水体中的涌现，能够高效去除性质各异污染物的水质净化技术受到越来越多的关注。吸附法作为一种高效去除水中污染物的方法，因其简便、经济、不产生有毒中间体等优势，展现出了强大的应用潜力。金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）材料作为一类新型多孔材料，具有高孔隙率，大比表面积等特点，作为吸附剂对各类污染物表现出优异的吸附特性。然而MOFs作为吸附剂在实际环境应用中仍存在一定的局限性。

例如，粉末状MOFs固液分离过程复杂、传统MOFs对极性污染物的选择性较低、MOFs的微孔结构传质效率较低等问题。因此，研究者们开发了多种功能化策略以提高MOFs的吸附性能。本文综述了近年来功能化MOFs的构建及其在水体污染物吸附中的应用，重点依据各类污染物的结构特性，对MOFs功能化策略进行了分类和总结，为未来设计制备具有更高选择性、更强吸附性能的功能化MOFs材料提供参考。

基于此，青岛理工大学马继平教授课题组与中国科学院烟台海岸带研究所陈令新研究员课题组合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Functional metal–organic frameworks as adsorbents used for water decontamination: design strategies and applications”的综述论文。

该文章总结了近年来功能化MOFs的构建策略及其应用于水体污染物吸附的研究进展。将MOFs的不同功能化策略分为四种主要类型:合成前修饰、合成后修饰、杂化/碳化、孔径调节。根据各种污染物的相似化学性质，对提供相同吸附机理的MOFs功能化位点进行了分类，并详细讨论了能够产生这些功能化位点的MOFs改性方法。最后提出了MOFs吸附剂在水体净化领域面临的挑战和未来潜在的研究方向。

要点一：作为水体污染物吸附剂的MOFs功能化策略

将MOFs的功能化策略分为四种主要类型：合成前修饰、合成后修饰、杂化/碳化、孔径调节。早期功能化MOFs的研究主要集中于通过合成前修饰和合成后修饰使MOFs的有机配体含有特定功能基团。随着研究的进一步深入，杂化/碳化等手段进一步丰富了MOFs材料中的功能基团。此外，通过将MOFs与其他材料杂化来可以有效解决粉末状MOFs不易回收等问题，实现便捷的固液分离，将有效促进MOFs材料的实际应用潜力。近年来，在丰富各类化学功能基团作为吸附位点的基础上，研究者们着力于调节MOFs的孔隙大小和骨架结构，加快固液传质效率，从而获得更好的吸附性能。

Figure 1. Schematic illustration of functionalization strategies for MOFs

要点二：功能化MOFs 在重金属吸附去除中的应用

水环境中毒性较大的重金属主要包括氧化态的Cr(VI)、U(VI)等，元素态的Pb(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)等。这些重金属在水中均呈离子状态。因此，含有离子交换基团的MOFs、含有富电子路易斯碱基团的MOFs，能够对重金属离子提供吸附作用力。此外通过调节MOFs的孔径结构可以获得更快的吸附速率。本文探讨了对各类重金属离子具有高效吸附能力的功能化MOFs，以及构建离子交换基团、路易斯碱基团的功能化改性方式。总结了功能化MOFs材料对各类重金属离子的吸附性能如饱和吸附量、吸附时间、可重复使用性等。由于重金属离子在环境水体中的存在形式往往会随着水体的状态而变化，提出了功能化MOFs应用于吸附去除各类重金属时仍需解决的问题。

要点三：功能化MOFs 在有机物吸附去除中的应用

将水环境中常见的有机污染物分为强极性/离子型化合物（如离子型染料、有机酸、全氟化合物等），弱极性化合物（如双酚类、苯系物、多环芳烃等）、两性化合物（如四环素类，喹诺酮类，β-内酰胺类抗生素）。有机污染物的吸附去除往往通过多种吸附作用力相结合。强极性/离子型化合物主要依靠静电作用和离子交换作用。弱极性化合物主要依靠疏水作用、π-π共轭、氢键作用。两性化合物的吸附需要多种作用力的相互结合。

通过调节MOFs的微观形貌和孔径结构也可以提高MOFs材料的吸附效率。本文介绍了对各类有机污染物具有高效吸附能力的功能化MOFs，以及构建以上功能化基团的改性方式。总结了功能化MOFs材料对各类有机污染物的吸附性能，提出了功能化MOFs应用于吸附去除各类有机污染物时仍需解决的问题。

对未来的研究和MOFs吸附剂的进一步发展而言，功能化 MOFs在实际环境水处理中的应用仍存在各种机遇和挑战:

1 就吸附机理而言：MOFs吸附剂的吸附机理往往结合了多种作用力，而每种作用力对吸附过程的贡献程度有待进一步探索。此外，关于MOFs的微观形貌和孔隙结构如何影响吸附和传质过程，需要进行更深入的探索。

2 就吸附性能的评价方法而言：MOFs吸附剂在恶劣/复杂环境中的选择性和稳定性需要更深入的研究。相较于传统的静态吸附，动态吸附更有利于考察MOFs吸附剂在水处理中的实用性。

3 就目标污染物而言：在实际环境水体中存在不同形式的重金属离子、有机污染物的各类转化产物，这些物质对环境水体仍具有较大危害。因此，需要开发对某类污染物具有更广泛吸附性能的功能化MOFs。

4 就实际应用而言：需要开发大规模、低成本、环保的功能化MOFs生产方法。此外，在廉价基底上负载高效MOFs吸附剂也有望降低其应用成本。

Functional metal–organic frameworks as adsorbents used for water decontamination: design strategies and applications

Gege Wu, Jiping Ma*, Shuang Li, Jinhua Li, Xiaoyan Wang, Zhiyang Zhang, Lingxin Chen*

马继平，教授，博士生导师，青岛理工大学环境与市政工程学院副院长，校分析测试中心主任。博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，清华大学博士后。主要从事环境新材料、环境污染物分析测试新技术等方面的研究。

主持三项国家自然科学基金项目，承担国家级、省部级等各类科研项目15项，发表学术论文70余篇，2022年获中国分析测试协会科学技术一等奖、2014年获青岛市科技进步二等奖奖、2020年获山东省高校科技二等奖等各类奖项7项，完成制定3项国家环境保护标准。目前为中国仪器仪表学会分析仪器分会样品制备专业委员会委员，中国海洋湖沼学会专业委员会委员，山东省低碳计量技术委员会委员，青岛市分析测试学会理事。

陈令新，中国科学院烟台海岸带研究所研究员，博士生导师。2009年筹建成立“海岸带生态环境分析、监测与污染控制技术”研究组。提出了以化学和地学等多学科交叉思路解决海岸带生态环境监测与保护技术问题。针对海岸带生态环境分析监测，利用纳米材料、生物材料和光电磁等探测手段，构建微、纳尺度分析传感界面，深入监测新原理、新方法和新仪器装置，为海岸带生态环境分析监测和生态修复提供系统性、创造性解决方案。

至今，出版《海洋环境分析监测技术》等中、英文著作3部。已在Nature Sustainability，Analytical Chemistry等期刊发表SCI收录论文350余篇。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等30余项。入选2020，2021年度科睿唯安跨学科领域全球“高被引科学家”名单。现任中国海洋湖沼学会海岸带可持续发展分会理事长；培养“国科大”研究生20余名（其中，4人获院长特别奖，3人获院长优秀奖），获“国科大”领雁银奖（振翅奖）。

吴阁格，青岛理工大学副教授。主要研究领域为新型多孔材料的设计制备，及其在污染物吸附去除、样品前处理技术中的应用。在J. Hazard. Mater., J. Colloid Interface Sci., Environ Res等国际高水平刊物上发表多篇学术论文。获得中国分析测试协会科学技术奖一等奖，山东省高校科学技术二等奖等多项科技奖项。

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