华南理工大学娄文勇教授课题组JHM：杂化配位介孔沸石咪唑骨架材料高效净化有机染料污水

Journal of Hazardous Materials

工业发展在提高现代生活便利的同时，也增加了环境污染，其中水体污染不仅直接影响饮水安全，也威胁到粮食安全和农林畜牧业等，最终影响人类健康。工业废水中的主要污染物包括有机染料、抗生素、农药、重金属离子等。为解决水污染问题，研究者开发了物理吸附、生物修复、光降解、共沉淀等方法对污水进行净化。而物理吸附因其成本低、操作简单和通用性强的优点，而受到广泛关注，其中吸附剂的高吸附容量及操作稳定性尤为重要。沸石咪唑骨架材料（ZIF）作为一种典型的金属有机框架材料，具备高度有序的微孔结构和大比表面积，具有合成方法简便的优点，在污水吸附净化中有显著的优势。然而，ZIF处于水相尤其是酸性环境中时，结构容易崩塌，无法应用于污水的长时间连续处理，尤其是酸性污水处理。另一方面，目前对于ZIF吸附污染物的机理尚不明确，无法为吸附剂的理性设计提供指导。

针对上述问题，华南理工大学娄文勇教授团队开发了一种具有酸稳定性的杂化配位介孔沸石咪唑骨架材料，并对其吸附有机染料分子的机理进行了研究。该课题组在前期对ZIF材料的研究中（Small 2021, 2007586. DOI:10.1002/smll.202007586.），开发了一种基于单磷酸核苷与有机配体竞争配位构建介孔ZIFs的方法。研究发现，利用核苷酸与有机配体共同与金属离子配位形成的杂化配位材料（NZIF），其酸稳定性远超传统ZIF-8，能在水相及酸性条件下长时间稳定存在，更适用于污水的吸附净化。

图1. ZNG（a），ZIF（b），NZIF（c）的扫描电镜照片；透射电镜下NZIF的元素分布（d）

该课题组将基于竞争配位策略构建的介孔NZIF与传统ZIF-8材料分别在酸性环境下处理1小时，NZIF保持了其原有形貌，其对染料分子的吸附能力几乎保持不变。而ZIF-8结构完全崩塌，无法吸附染料分子，证明了NZIF材料优良的酸稳定性。进一步将NZIF材料应用于染料污水的吸附净化，选取了刚果红（CR）、亚甲基蓝（MB）、日落黄（SY）和结晶紫（CV）4种具有不同分子大小和电荷性质的染料进行吸附实验，并将NZIF的吸附性能与ZIF-8进行对比。结果表明，NZIF对4种染料分子的吸附能力均优于ZIF-8，对CR的吸附能力提升尤为显著，吸附量达到769 mg/g，为ZIF-8的6倍左右。

进一步分析吸附剂和染料分子的结构及性质，探究其吸附机理。FTIR，BET, XRD和Zeta电位等实验结果表明，NZIF对CR的吸附能力很大程度上归功于NZIF特有的介孔结构。NZIF中的氨基、磷酸根、芳环等组分与染料分子之间所形成的π-π相互作用和氢键以及静电作用参与了吸附过程，显著提升了NZIF对染料分子的吸附容量。

该研究利用简单的竞争配位方法合成了一种具有酸稳定性的介孔沸石咪唑骨架材料，对典型有机染料分子刚果红等具有较高的吸附容量，并分析了其吸附机理，为污水处理和吸附剂设计提供了研究基础。相关成果发表在Journal of Hazardous Materials期刊上。文章的第一作者为华南理工大学吴晓玲博士，通讯作者为华南理工大学娄文勇教授。该课题得到了国家自然科学基金、中央高校基金、东莞市引进第五批创新团队科研项目的支持。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126011

专 家 简 介

娄文勇，教授，博士生导师，华南理工大学食品科学与工程学院副院长（主持工作），国家食药同源产业科技创新联盟食药发酵产业专业委员会名誉主任委员，中国食品科学技术学会传统酿造食品分会理事会常务理事；全国百篇优秀博士学位论文获得者、国家优秀青年学科基金获得者（首届优青）、教育部新世纪优秀人才，广东省“千百十工程”国家级培养对象、“百千万工程”领军人才，获广东省自然科学类二等奖、中国轻工业联合会“十一五”科技创新先进个人奖，国际遗传工程机器大赛（iGEM）奖金（指导老师）以及中国石油和化学工业协会青年科技突出贡献奖。2005年获华南理工大学生物化工专业博士学位，2007年赴英国Warwick大学从事合作研究。研究方向为食品生物技术、生物催化过程调控与应用、食品功能因子的挖掘及生物制造、肠道健康维护产品的研发等。承担过国家十三五重点研发计划，国家自然科学基金、广东省重点研发计划、广东省自然科学基金重点项目、校企合作项目等30余项。在Nat. Commun., Coordin. Chem. Rev., Biotechnol. Adv., Small, Green Chem.，Biotechnol. Bioeng., Bioresour. Technol., CEJ, JAFC等著名刊物上发表了SCI论文120余篇（封面论文8篇, ESI高被引论文3篇，热点论文1篇），他引3500余次，h因子35；担任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Frontiers in Microbiology的副主编，Bioresources and Bioprocessing的编委；获授权中国发明专利35件，申请国际PCT专利（美国）6件，转让专利6件；主编中文专著2本及英文专著1本，参编英文专著3本；多项科研成果已实现了产业化推广。

吴晓玲，华南理工大学博士后，分别于2013年及2018年获得清华大学化学工程系学士及博士学位，入选2018年“博士后创新人才支持计划”。已发表SCI论文20余篇，SCI引用600余次，其中以第一/通讯作者身份在Nature Communications, Small, Chemical Communications, Bioresource Technology, Nanoscale等期刊上发表SCI论文13篇。

编辑：陈敏/  主编：刘畅/  学术顾问：寇兴然