使用联吡啶和四苯甲酸的Ni离子基3D-MOF应用于高效碘和阳离子染料捕获

首页 > 行业动态 > 使用联吡啶和四苯甲酸的Ni离子基3D-MOF应用于高效碘和阳离子染料捕获

摘要：
Aligarh Muslim University的Mohd Khalid等报道的本篇文章（Cryst. Growth Des. 2024）中通过水热法合成了一种新型的Ni(II)负载的金属-有机框架(MOF)材料，命名为AR-1。该材料利用1,2,4,5-苯四甲酸(H4btc)、4,4′-双吡啶(4,4′-bipy)和硝酸镍作为原料。通过多种技术对AR-1进行了表征，包括元素分析、单晶X射线衍射(SCXRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和粉末X射线衍射(PXRD)。AR-1表现出高效的碘蒸汽吸附能力，最大吸附量达到580 mg g−1，并且在水溶液中对阳离子染料(如亚甲基蓝)具有较高的吸附率和选择性。此外，AR-1还具有良好的水稳定性和pH稳定性。研究表明，AR-1作为一种双功能吸附剂，能够同时处理放射性和有机污染物，为MOF材料在水污染和危险物质去除方面的应用提供了新的思路。

研究背景：
1. 当前，水污染问题日益严重，特别是放射性物质和有机染料的排放对环境和人类健康构成威胁。
2. 已有研究通过使用多孔材料如沸石、活性炭、纳米材料和多孔有机聚合物(POPs)等作为吸附剂来处理污染物。
3. 本文创新点：
   - 提出了一种新型的三维Ni(II)基MOF材料AR-1，该材料具有更高的吸附效率和稳定性。
   - AR-1在碘吸附方面表现出色，无论是在蒸汽相还是水溶液相都能有效吸附。
   - 对比现有材料，AR-1在水稳定性和pH稳定性方面表现更佳，意味着它在实际应用中更加耐用。

实验部分：
1. AR-1的合成：
   1) 将Ni(NO3)2·6H2O、H4btc和4,4′-bipy按照1:1:1的摩尔比例溶解在去离子水中，加入NaOH溶液调节pH至8。
   2) 将混合溶液倒入聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，密封后在160°C下反应3天。
   3) 反应结束后，自然冷却至室温，过滤并用去离子水和乙醇洗涤，最后在60°C下干燥过夜，得到AR-1。
2. 碘吸附实验：
   1) 将30 mg AR-1装入预先称重的玻璃瓶中，再将100 mg碘片放入密封容器底部，将装有AR-1的玻璃瓶放入其中。
   2) 将容器加热至70°C，使AR-1吸附碘蒸汽，周期性地取出玻璃瓶，冷却至室温后称重，计算吸附量。
3. 染料吸附实验：
   1) 准备10 mg/L的亚甲基蓝、Martius黄和刚果红水溶液，分别取100 mL溶液加入含有25 mg AR-1的锥形瓶中。
   2) 在室温下不断搅拌，定期取出溶液样本，通过离心分离AR-1，并使用UV-vis光谱仪测定染料浓度的变化。
4. 水稳定性测试：
   1) 将5 mg AR-1与1.5 mL水混合，在60°C下振荡4小时，模拟水处理过程中的吸附条件。
   2) 离心分离AR-1，冷冻干燥后使用PXRD分析其晶体结构变化，评估水稳定性。
5. 吸附-脱附循环实验：
   1) 对AR-1进行多次吸附-脱附循环，使用乙醇作为脱附剂，恢复AR-1的吸附能力。
   2) 每次循环后，通过UV-vis光谱仪监测碘或染料的吸附量，评估AR-1的循环稳定性。

分析测试：
1. 元素分析：
   - 通过元素分析确定AR-1中C, H, N的百分比组成，结果为C 47.82%, H 3.78%, N 7.77%。
2. 单晶X射线衍射(SCXRD)：
   - 收集了AR-1的单晶衍射数据，确定了其三维框架结构，其中Ni(II)与H4btc和4,4′-bipy形成配位键。
3. 傅里叶变换红外(FTIR)光谱：
   - FTIR光谱显示了AR-1中官能团的特征吸收峰，如3384.82 cm−1 (m), 3271.09 cm−1 (m) 等。
4. 粉末X射线衍射(PXRD)：
   - PXRD结果证实了AR-1的晶体相纯度，与模拟数据一致。
5. 热重分析(TGA)：
   - TGA曲线显示AR-1在165°C前重量无明显变化，表明具有良好的热稳定性。
6. 扫描电子显微镜(SEM)：
   - SEM图像揭示了AR-1的形态，为六角柱状晶体。
7. X射线光电子能谱(XPS)：
   - XPS分析确认了AR-1表面元素的化学状态，如Ni 2p, C 1s, N 1s的峰位。
8. 比表面积和孔隙结构分析：
   - 通过BET方法计算AR-1的比表面积，孔容和孔径分布。
9. 碘吸附量测定：
   - 使用重量法测定AR-1对碘蒸汽的吸附量，最大吸附量达到580 mg g−1。
10. 染料吸附效率测定：
    - 使用UV-vis光谱仪测定AR-1对不同染料的吸附效率，亚甲基蓝的吸附效率为91.42%。
11. 水稳定性评估：
    - 通过PXRD分析AR-1在水中的晶体结构变化，评估其水稳定性。
12. 吸附-脱附循环性能评估：
    - 通过多次吸附-脱附循环测试AR-1的循环稳定性，评估其实际应用潜力。

总结：
本文成功合成了一种新型的三维Ni(II)基MOF材料AR-1，该材料在碘吸附和染料去除方面表现出色。AR-1的结构通过多种表征技术得到了详细的解析，其吸附性能通过一系列实验得到了验证。研究表明，AR-1不仅能有效吸附碘，还能选择性地吸附阳离子染料，同时具有良好的水稳定性和pH稳定性，是一种具有应用潜力的双功能吸附材料。

展望：
AR-1在本研究中表现出了优异的性能，未来进一步改进和研究的话，可以从以下几方面深入。
- 对AR-1的吸附动力学和等温线模型进行更深入的研究，以优化其在实际应用中的吸附条件。
- 探索AR-1在其他类型的有机污染物去除中的潜在应用。
- 研究AR-1的可回收性和长期稳定性，以评估其在实际环境修复中的可行性。
- 开展更大规模的制备和应用测试，以推动AR-1的工业化应用进程。

Interwoven Architectural Complexity in Ni(II) Ion-Based 3D MOF Using Bipyridine and Tetrabenzenecarboxylic Acid: Adsorption Insights in Highly Efficient Iodine and Cationic Dye Capture
文章作者：Shaikh Arfa Akmal, Mohd Khalid,* M. Shahwaz Ahmad, M. Shahid, and Musheer Ahmad
DOI：10.1021/acs.cgd.4c00809
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.4c00809

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。