【材料】上海高研院曾高峰/徐庆与国家纳米中心韩宝航/丁雪松团队Angew：共价有机框架吸附材料用于金离子捕获- 大数跨境

【材料】上海高研院曾高峰/徐庆与国家纳米中心韩宝航/丁雪松团队Angew：共价有机框架吸附材料用于金离子捕获

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2023-12-03

导读：中国科学院上海高等研究院曾高峰/徐庆与国家纳米中心韩宝航/丁雪松研究团队合作，在构建共价有机框架（COFs）并应用于金离子捕获方面取得重要进展

近日，中国科学院上海高等研究院曾高峰/徐庆与国家纳米中心韩宝航/丁雪松研究团队合作，在构建共价有机框架（COFs）并应用于金离子捕获方面取得重要进展，研究成果发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。

共价有机框架（COFs）具有可设计性及骨架可调性，被广泛用于光催化、电催化以及气体吸附和离子吸附等领域。其中，很多工作将功能基团引入到COFs孔壁中并将其应用于离子捕获，如Hg²⁺、UO₂²⁺和Cr⁴⁺。具体来说，这些工作是利用COFs与离子之间的氢键相互作用，从而对离子进行特异性识别和较高容量吸附。大多数研究都集中在用特定的基团（如硫醇和酰胺基团）以构建氢键网络从而捕获金离子。然而，由于框架与金离子的结合能力较弱，而忽略了框架本身的利用和设计。因此，构建高容量和快速吸附金离子的框架材料是一个挑战。

在此背景下，研究团队利用COFs的骨架工程策略构建金离子吸附剂。通过构建三种电中性的二维COFs，证明了相对于C-N单键而言，C=N键的电子密度较强，有助于提高金离子吸附量。其中，三个电中性COFs的金吸收量超过1750 mg g^-1。此外，利用离子化后修饰策略，将骨架离子化，使金离子与COFs骨架通过库仑力结合，从而提高动力学性能，实现高效吸附。

图1. COFs的理论结构图

通过吸附实验可以发现，PYTA-PATA-COF、PYTA-BDTA-COF、PYTA-TDTA-COF和N⁺-PYTA-PATA-COF的相对最大Au³⁺捕获量为1774、1752、1880和1834 mg g^-1。此外，N⁺-PYTA-PATA-COF表现出快速的吸附行为，这主要归因于离子骨架与金离子的相互作用。此外，四种COFs的Langmuir平衡等温线分布系数均大于0.99，表明COFs与吸附等温线拟合良好。N⁺-PYTA-PATA-COF的金离子捕获量在10 min内达到最大值的90%。此外，还研究了不同离子对金离子的选择性吸附，可以发现N⁺-PYTA-PATA-COF对金离子的吸附效率约为93%。研究人员还测试了不同pH条件下的金离子吸附效率。在酸性溶液中，金离子的捕获效率接近100%，而在碱性溶液中，捕获效率仅为15%。因此，质子化过程是捕获金离子的关键。

图2. COFs的金离子吸附性能图

总之，结合C-N与C=N键位点的COFs作为金吸附剂，可以提高金离子吸附的选择性和动力学性能。将骨架离子化后，使金离子与COFs骨架通过库仑力结合，进一步提高其动力学效率，实现金离子的高效吸附。实验和理论计算进一步表明，当结合位点由亚胺键转变为离子氮位点时，通过库仑力与AuCl₄⁻形成配位，有助于增强吸附动力学。这项工作为设计用于离子/分子捕获的COFs功能骨架提供了新的方向。

论文的第一作者为博士研究生刘明昊、国家纳米中硕士研究生江菂及德累斯顿工业大学博士后傅钰斌。该研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委、及中国科学院青年创新促进会的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Modulating Skeletons of Covalent Organic Framework for High-Efficiency Gold Recovery

Minghao Liu, Di Jiang, Yubin Fu, George Zheng Chen, Shuai Bi, Xuesong Ding, Jun He, Bao-Hang Han, Qing Xu, Gaofeng Zeng

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202317015

通讯作者介绍

丁雪松，国家纳米科学中心副研究员，2007年于南开大学化学学院化学系获得理学学士学位，2009年于天津大学材料科学与工程学院材料系获得工学硕士学位。自2009年起在日本文部省奖学金资助下赴日本分子科学研究所留学，在导师江东林教授的指导下以基于金属酞菁结构单元的二维层状COFs材料的制备及其光电性能方面的研究为主要研究方向，于2012年获得理学博士学位。2012年11月起加入国家纳米科学中心韩宝航研究员团队工作，以拓展有机多孔材料的新型制备方法和种类为目标，设计制备了一系列结构新颖的有机多孔材料，并对其进行了吸附与分离、催化及能源等方面的研究。目前已在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Chem. Commun., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Chem. Soc. Rev.等SCI收录的国际期刊以第一/通讯作者身份发表科学论文50余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/292902

徐庆，中国科学院上海高等研究院副研究员，上海市浦江人才，中科院青促会会员, Carbon Energy杂志青年编委。研究方向为共价有机框架材料的结构设计与性能开发。相关研究成果以第一作者/通讯作者在国际顶级期刊Nat. Commun, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等杂志发表论文50余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/350934

曾高峰，中科院上海高研院低碳转化科学与工程中心研究员，博士生导师。研究方向包括无机膜材料、催化膜反应器和储能制氢。近年来在Nat. Commun., Adv. Mater., ACS Nano, Appl. Catal. B, ACS Cent. Sci.和J. Membr. Sci.等国际期刊发表文章100余篇，授权专利数十项。主持国家自然科学基金3项、中科院项目1项、上海市科委项目2项和企业合作项目若干项。先后入选中科院青促会和上海人才发展资金资助计划。

https://www.x-mol.com/university/faculty/350935

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