【材料】锆基MOF通过化学和物理协同吸附作用高效吸附水中全氟辛酸- 大数跨境

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2024-04-10

导读：本文研究团队成功合成了一种新型的锆基MOF（PCN-999），单晶结构分析表明其具有Zr6簇和独特的二甲酸酯桥连形成的(Zr6)2簇，并且每种金属簇都与八个羧酸配位，从而产生了多个开放金属配位位点

全氟/多氟烷基化合物（PFAS）是一类新兴的高度持久性污染物，具有高疏水的碳氟链和亲水的末端基团。因其高强度的碳-氟（C-F）键，PFASs具有超高的热稳定性和化学稳定性，使其适用于多种领域。然而，高强度的 C−F 键也使 PFAS 成为“永久性化学物质”，在环境中难以降解，易于在生物体内累积。其中，全氟辛酸（PFOA）在水中具有高溶解度，因此对人体健康造成极大威胁，国际癌症研究机构 (IARC) 将其归类为“可致癌物”。在这种背景下，开发具有合适的孔环境和PFOA结合位点的高稳定性吸附材料是非常必要的。

本文研究团队成功合成了一种新型的锆基MOF（PCN-999），单晶结构分析表明其具有Zr₆簇和独特的二甲酸酯桥连形成的(Zr₆)₂簇，并且每种金属簇都与八个羧酸配位，从而产生了多个开放金属配位位点（图1）。同时，PCN-999具有等级孔孔道结构，氮气吸附测试也表明PCN-999具有永久性微孔和介孔结构，并具有较大的BET表面积和Langmuir表面积，这为其优异的污染物吸附性能奠定了基础。此外，PCN-999还表现出优异的热稳定性以及化学稳定性，这些特性使其对水中污染物PFOA表现出极高的吸附能力，吸附量达到1089 mg/g（2.63 mmol/g），比之前报道的MOFs增加了约50%。动力学研究表明，PCN-999对PFOA的吸附速率较高，且在12小时内即可达到平衡。同时，PCN-999还展现出优异的循环稳定性，经过多次循环后吸附率仍保持在94%以上。更为重要的是，PCN-999对PFOA的选择性吸附能力也得到验证，其他干扰离子的存在对于其吸附能力的影响较小，表明其在实际应用中具有良好的应用前景。

图1.（a）有机配体L12和两种金属簇结构。沿（b）a轴和（c）c轴的结构堆积图。（d, e, f）拓扑结构示意图。C、O和Zr原子分别由灰色、红色和青色表示。

PFOA@PCN-999的单晶结构分析显示，PFOA通过其末端羧基与PCN-999中独特的(Zr₆)₂簇配位，并分布于介孔孔道内（图2）。计算结果也表明(Zr₆)₂簇为PFOA提供了额外的配位点，配位PFOAs进一步增强了与游离PFOAs之间的相互作用，从而显著提高了材料的吸附能力。总体而言，该研究成果不仅为额外的开放配位位点在提高 PFOA 吸附能力方面发挥的关键作用提供了明确的证据，而且增强了研究者对基于 MOF 的 PFOA 吸附机制的基本理解。因此，PCN-999的成功合成和优异性能为解决PFASs类污染物带来了新的希望，也为环境污染治理领域的研究提供了重要的参考和借鉴。

图2. 单晶 PFOA@PCN-999 的结构显示了 PFOA 与 (Zr₆)₂ 簇沿 a 轴的配位情况。C、H、O、F 和 Zr 原子分别以灰色、白色、红色、绿色和青色表示。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Exceptionally High Perﬂuorooctanoic Acid Uptake in Water by a Zirconium-Based Metal-Organic Framework through Synergistic Chemical and Physical Adsorption

Rong-Ran Liang, Shunqi Xu, Zongsu Han, Yihao Yang, Kun-Yu Wang, Zhehao Huang, Joshua Rushlow, Peiyu Cai, Paolo Samorì, and Hong-Cai Zhou

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c14487

周宏才教授简介

周宏才教授是美国德克萨斯A&M大学教授，现任Davidson科学讲席教授、Robert A. Welch首席化学家、美国化学会会士、英国皇家化学会会士、美国科学促进会会士。周宏才教授是框架研究领域的领军人物。他的研究主要集中在金属有机框架（MOF）、多孔聚合物网络（PPN）和共价有机框架（COF）的设计、合成及其在气体储存、吸附、分离和催化等领域的应用。H因子141，引用超10万＋。2013年开始任美国化学会旗下杂志Inorganic Chemistry 的副主编。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50101

Paolo Samorì教授简介

Paolo Samorì教授是斯特拉斯堡大学的杰出教授，科学与工程超分子研究所纳米化学实验室的主任、英国皇家化学学会（FRSC）、欧洲科学院（EURASC）的院士，欧洲科学院成员，比利时皇家艺术与科学学院（KVAB）的外籍成员，斯特拉斯堡大学高级研究所（USIAS）的院士，法国大学研究院（IUF）的高级成员，法国国家技术学院成员，以及德国国家科学与工程学院（acatech）的成员。在纳米化学、超分子科学、材料化学和扫描探针显微镜技术领域发表了460多篇论文，特别关注石墨烯和其他二维材料，以及用于光电子学、能源和传感应用的功能性有机/聚合物和混合纳米材料。他获得了许多著名奖项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49826

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