ACS AMI：金屬調(diào)控同構NU-1801框架實現(xiàn)潮濕增強型有毒氣體捕獲

隨著工業(yè)化進程的加快，有毒工業(yè)化學品如SO2和NH3的廣泛使用與排放對環(huán)境和人類健康構成了嚴重威脅。這些氣體不僅來源于工業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，也可能在運輸與儲存過程中發(fā)生泄漏。盡管活性炭等傳統(tǒng)吸附材料已被廣泛應用于有毒氣體的捕獲，但其缺乏明確的孔道結構與可調(diào)控的化學組成，限制了其在低濃度與高濕度條件下的吸附性能。金屬有機框架材料因其高比表面積、可調(diào)控的孔道環(huán)境與功能化位點，展現(xiàn)出在有毒氣體捕獲方面的巨大潛力。然而，多數(shù)MOF材料在面臨SO2和NH3等強極性氣體時易發(fā)生結構坍塌，且在潮濕條件下常因水分子競爭吸附而導致性能下降。因此，開發(fā)具有高穩(wěn)定性且在潮濕條件下仍能高效捕獲有毒氣體的MOF材料，成為當前研究的重要方向。

西北大學Omar K. Farha、青島科技大學陳永偉與華南理工大學王興杰等人成功構建了一系列具有相同拓撲結構的 NU-1801 金屬有機框架材料，通過系統(tǒng)比較不同金屬簇對材料穩(wěn)定性與氣體吸附性能的影響，發(fā)現(xiàn) NU-1801(Zr) 在潮濕條件下對 SO2 和 NH3 的吸附能力不降反升，實現(xiàn)了 “ 潮濕增強 ” 型捕獲。結合原位光譜與理論模擬，他們揭示了氣體分子與水協(xié)同作用轉化為穩(wěn)定鹽類的機制。這項研究不僅深化了對金屬身份效應的理解，更為開發(fā)適用于真實工業(yè)環(huán)境的高性能有毒氣體吸附材料提供了重要指導。相關研究成果發(fā)表于國際頂級期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》( IF 8.2 )。

本研究基于網(wǎng)狀化學設計理念，構建了一系列具有相同拓撲結構的NU-1801材料，分別以Y6、Zr6、Hf6、Ce6和Th6金屬簇為節(jié)點，以H4TCBB為有機連接體，形成具有flu拓撲的微孔框架。通過PXRD分析確認了這五種材料具有相同的晶體結構（圖2a），并利用N2吸附等溫線測定了其比表面積與孔容，其中NU-1801(Zr)具有最高的BET比表面積（1180 m2/g）和孔容（0.49 cm3/g）（圖2b）。熱重分析與XPS結果進一步表明，除NU-1801(Ce)因存在混合價態(tài)Ce(III)/Ce(IV)而導致熱穩(wěn)定性較差外，其余四種材料均表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性。

本研究通過系統(tǒng)比較五種同構 NU-1801 材料在不同金屬簇調(diào)控下的結構與吸附性能，揭示了金屬身份對 MOF 材料穩(wěn)定性與氣體捕獲能力的關鍵影響。其中， NU-1801(Zr) 不僅具備優(yōu)異的結構穩(wěn)定性與高氣體吸附容量，更在潮濕條件下表現(xiàn)出對 SO2 和 NH3 的吸附增強效應。通過結合實驗表征與理論計算，研究闡明了氣體分子在金屬簇位點的吸附機制，以及水分子參與下氣體向硫酸鹽與銨鹽轉化的化學過程。該工作不僅為理解金屬身份在 MOF 材料中的作用提供了深入見解，也為設計適用于實際工業(yè)環(huán)境中高效、耐濕的有毒氣體吸附材料指明了方向。

Interrogating the Metal Identity Effect of Isostructural NU-1801 Frameworks on Toxic Gas Capture with Moisture-Enhanced Feature.ACS Appl. Mater. Interfaces 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c17377

（來源：Funchem 版權屬原作者 謹致謝意）