隨著能源需求的快速增長(zhǎng),核能作為一種綠色可靠的能源,長(zhǎng)期以來(lái)一直受到全世界越來(lái)越多的關(guān)注。然而,核工業(yè)中放射性碘的排放威脅著人類健康,有效地捕獲碘近年來(lái)引起人們的極大關(guān)注。多孔有機(jī)聚合物(Porous Organic Polymers, POPs)和金屬-有機(jī)骨架(Metal-Organic Frameworks, MOFs),作為新型多孔材料,在碘捕獲領(lǐng)域是優(yōu)秀的候選吸附材料。鑒于此,吉林師范大學(xué)許彥紅教授和謝偉講師及新加坡國(guó)立大學(xué)江東林教授等人系統(tǒng)介紹了POPs和MOFs這兩類多孔材料在高效碘捕獲領(lǐng)域的研究進(jìn)展。該工作近期發(fā)表在Materials Horizons上。
多孔有機(jī)聚合物(POPs)是由各種有機(jī)結(jié)構(gòu)單元通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵構(gòu)成,而金屬-有機(jī)骨架(MOFs)是由無(wú)機(jī)構(gòu)建單元(金屬離子或簇)和有機(jī)連接體通過(guò)中等強(qiáng)度的配位鍵連接而成。POPs和MOFs作為多孔功能材料的新成員,具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特性,已在氣體吸附、分離、熒光傳感、光電功能材料及催化等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用前景。POPs和MOFs材料通常具有高比表面積、可調(diào)的孔徑和孔體積、良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性、分子設(shè)計(jì)多樣性以及后合成修飾等優(yōu)勢(shì)。因此,POPs和MOFs材料為碘捕獲提供了出色的平臺(tái)。該綜述系統(tǒng)地總結(jié)了POPs和MOFs這兩類多孔材料在碘捕獲領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。表1總結(jié)列出了一些性能優(yōu)異的POPs和MOFs材料的孔結(jié)構(gòu)特征和碘吸附能力。
表1. 選出POPs和MOFs材料的孔結(jié)構(gòu)特征及碘吸附性能
Materials |
BET surface area (m2/g) |
Pore size (?) |
Pore volume (cm3 g-1) |
Iodine uptake (wt.%) |
TPB-DMTP |
1927 |
33 |
1.28 |
620 |
TPT-BD-COF |
- |
- |
- |
543 |
TTA-TTB |
1733 |
22 |
1.01 |
500 |
TTPPA |
512.39 |
19.1 |
0.2997 |
490 |
SIOC-COF-7 |
618 |
11.8 |
0.41 |
481 |
CalPOF-1 |
303 |
- |
- |
477 |
COF-DL229 |
1762 |
14 |
0.64 |
470 |
ETTA-TPA |
1822 |
14, 27 |
0.95 |
470 |
TPT-DHBD25-COF |
- |
- |
- |
465 |
TTPB |
222 |
19.4 |
0.127 |
443 |
NDB-H |
116.93 |
74.6 |
0.13 |
443 |
TPT-DHBD50-COF |
- |
- |
- |
430 |
NDB-S |
56.45 |
75.5 |
0.11 |
425 |
TPT-DHBD75COF |
- |
- |
- |
412 |
CalPOF-2 |
154 |
- |
- |
406 |
TPT-DHBD-COF |
- |
- |
- |
388 |
POP-2 |
41 |
20, 400 |
- |
382 |
COP10 |
- |
- |
- |
380 |
TFBCz-PDA |
1441 |
15 |
0.74 |
370 |
POP-1 |
12 |
20, 400 |
- |
357 |
CalPOF-3 |
91 |
- |
- |
353 |
ADB-HS |
148.20 |
62.8 |
0.14 |
345 |
SCMP-II |
119.76 |
20 |
- |
345 |
ADB-S |
41.53 |
62.9 |
0.07 |
342 |
HCMP-3 |
82 |
<10 |
0.08 |
336 |
TTDAB |
1.643 |
17.6-27.0 |
0.004 |
313 |
CalP4_Li |
445 |
- |
0.588 |
312 |
Tm-MTDAB |
2.778 |
27.9 |
0.007 |
304 |
HCMP-1 |
430 |
<10 |
0.22 |
291 |
AzoPPN |
400 |
5.8-12.7 |
0.68 |
290 |
HCOF-1 |
- |
- |
- |
290 |
BDP-CPP-1 |
635 |
49 |
0.78 |
283 |
HCMP-2 |
153 |
<10 |
0.06 |
281 |
Zr6O4(OH)4(peb)6 |
2650 |
14.2 |
1.16 |
279 |
COP20 |
- |
- |
- |
277 |
PAF-24 |
- |
- |
- |
276 |
PAF-23 |
- |
- |
- |
271 |
TTA-TFB |
1163 |
16 |
0.55 |
270 |
NAPOP-4 |
626 |
12.7 |
0.15, 1.17 |
265 |
PAF-25 |
- |
- |
- |
260 |
COP2++ |
- |
- |
- |
258 |
CalP3_Li |
308 |
- |
0.558 |
248 |
NAPOP-3 |
702 |
<4.3, 5.8 |
0.18, 1.01 |
241 |
NAPOP-2 |
458 |
<4.2, 5.9 |
0.10, 0.78 |
239 |
Azo-Trip |
510.4 |
6.5 |
0.47 |
238 |
BDP-CPP-2 |
235 |
30 |
0.18 |
223 |
SCMP-2 |
855 |
- |
1.50 |
222 |
HCMP-4 |
- |
<10 |
- |
222 |
NRPP-2 |
1028 |
7.0 |
0.81 |
222 |
CalP4 |
759 |
- |
1.08 |
220 |
COP1++ |
- |
- |
- |
212 |
COP2?+ |
- |
- |
- |
211 |
FCMP-600@2 |
780 |
17.4 |
0.665 |
209 |
CMPN-3 |
1368 |
~20 |
2.36 |
208 |
NAPOP-1 |
657 |
<3.9, 7.2 |
0.25, 1.49 |
206 |
NiP-CMP |
2630 |
7.0-12.5 |
2.288 |
202 |
HKUST-1 |
1850 |
5.0-13.5 |
0.74 |
175 |
{[(ZnI2)3(tpt)2] |
- |
- |
- |
173 |
MFM-300(Sc) |
1250 |
8.1 |
0.50 |
154 |
HMTI-1 |
- |
18×21 |
- |
150 |
MFM-300(Fe) |
1192 |
7.8 |
0.46 |
129 |
ZIF-8 |
1630 |
3.4-11.6 |
0.66 |
125 |
UiO-66-PYDC |
1030 |
- |
0.43 |
125 |
MFM-300(In) |
1050 |
7.6 |
0.41 |
116 |
Zr6O4(OH)4(sdc)6 |
2900 |
11.9 |
1.33 |
107 |
Zn3(DL-lac)2(pybz)2 |
762.5 |
10.5 |
0.40 |
101 |
HMTI-2 |
- |
4×18 |
- |
100 |
與傳統(tǒng)的多孔材料相比,POPs和MOFs材料具有明顯的優(yōu)勢(shì),目前已在碘吸附領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景。但是其碘儲(chǔ)存能力仍有待提高,綜述中作者分析討論了提高POPs和MOFs材料碘捕獲能力的有效策略,如增加材料的比表面積和孔體積;選取具有獨(dú)特配置和功能的有機(jī)建筑單元,引入化學(xué)官能團(tuán)以提供高焓結(jié)合位點(diǎn);以及進(jìn)一步對(duì)POPs和MOFs材料進(jìn)行后處理等手段。此外,作者還指出了POPs和MOFs這兩類多孔材料在碘捕獲過(guò)程中存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn),如它們的合成成本較高,大都處于實(shí)驗(yàn)室合成階段,難以大規(guī)模量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用;另一方面MOFs材料較低的穩(wěn)定性也限制了其工業(yè)應(yīng)用。因此,迫切需要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有可控形貌和粒徑、化學(xué)耐久性良好及低成本的新型高效吸附材料。作者期望該篇綜述能為科研工作人員提供一些有價(jià)值的參考,進(jìn)一步拓展吸附材料的研究范圍,并在某種程度上為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高效多孔吸附材料提供一些新的思路。
文章信息及鏈接:
W. Xie, D. Cui, S. R. Zhang, Y. H. Xu* and D. L. Jiang*, Iodine capture in porous organic polymers and metal-organic frameworks materials, Mater. Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C8MH01656A.
https://doi.org/10.1039/C8MH01656A
許彥紅研究團(tuán)隊(duì)介紹:
許彥紅,女,吉林師范大學(xué)教授,東北師范大學(xué)博士生導(dǎo)師。生于1982年1月,2005年在哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)系獲得學(xué)士學(xué)位,2009年在東北師范大學(xué)化學(xué)系獲得碩士學(xué)位。2009-2012年在日本綜合研究大學(xué)院大學(xué)學(xué)習(xí),獲得博士學(xué)位。2012-2014年在日本國(guó)立自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)分子科學(xué)研究所做博士后。2013年入選吉林省首批“長(zhǎng)白山學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”。2015年由許彥紅作為帶頭人的“功能微孔聚合物骨架材料”團(tuán)隊(duì),獲批“吉林省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”。2017年入選吉林省第六批拔尖創(chuàng)新人才(第三層次)。
該課題組作為吉林師范大學(xué)環(huán)境友好材料制備與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要成員之一,主要圍繞新型納米多孔聚合物骨架的設(shè)計(jì)、合成及其在光電、傳感、氣體吸附、非均相催化等應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展研究工作,取得了一些原創(chuàng)性的研究成果,并已在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Commun.,Chem. Soc. Rev.,J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Commun.等發(fā)表論文30余篇。
課題組鏈接:http://xuyhktz.com/
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