金属有机框架材料MIL-101在吸附去除水中有机污染物中的应用进展

金属有机框架材料（MOFs）是一种极具前景的水中污染物吸附材料,其中,拉瓦锡研究所材料（MIL）凭借较好的稳定性和较多的可调节位点在众多MOFs中脱颖而出。与其他MILs相比,MIL-101具有比表面积较大和表面活性位点多的特点,在水中的稳定性高,已成为一种新兴的吸附材料。鉴于此,该文对近年来MIL-101在水中有机污染物去除领域的应用研究进行了综述,主要对MIL-101结构、改性修饰及其在水污染物吸附去除方面的应用及吸附机理进行了介绍。最后对MIL-101吸附材料的应用前景进行了分析和展望。     

季铵功能化的金属有机骨架对水中双氯芬酸钠的高效吸附与去除

通过两步合成法制备了季铵功能化的金属有机骨架MIL-101（Cr）即MIL-101（Cr）-NMe₃,并考察了该材料对双氯芬酸钠（DCF）的吸附行为。通过不同浓度的DCF在MIL-101（Cr）-NMe₃吸附剂上的动力学数据,以及在不同温度下的吸附平衡等温线和MIL-101（Cr）-NMe₃吸附剂的重复使用性能考察,发现该材料对DCF的吸附过程符合准二级动力学方程,吸附平衡等温线符合Langmuir等温吸附模型,在20℃下的最大吸附量为310.6 mg/g,5次循环使用后吸附量未明显减少。MIL-101（Cr）-NMe₃对DCF的吸附作用机理可归结为静电相互作用和π-π相互作用,吸附效果远大于未修饰氨基的MIL-101（Cr）。可以预见该材料对水中DCF的去除具有良好的应用前景。     

乙二胺改性轻金属铝-金属有机骨架材料用于CO_2/CH_4分离

胺类分子在CO_2的捕获中可以起到选择性提升的作用,本文选择小尺寸的乙二胺分子对具有不饱和金属位点的轻金属铝基金属有机骨架(Al-MOFs)材料MIL-100Al进行改性,利用XRD、N2吸附和FT-IR等对改性材料的结构进行表征,测试了不同浓度的乙二胺改性的MIL-100Al对CO_2和CH4吸附性能。结果表明,与原始的MIL-100Al材料相比,改性后的材料对CO_2吸附量有明显提高,CH4的吸附量却降低,从而进一步提高了材料的CO_2/CH4吸附选择性,提升了吸附分离的效果。     

含钛低聚物合成高结晶度的MIL-125显著提高二甲苯异构体吸附分离选择性

二甲苯作为石油化工行业中的基础原料,其应用价值很大且需求量逐年增加,因此二甲苯分离提纯的研究具有重要理论意义和工业应用价值.同时,二甲苯异构体分离被认为是改变世界的七大分离难题之一.金属有机骨架材料MIL-125是一种典型的含钛金属有机骨架材料,被广泛应用于光催化氧化和吸附分离中.目前传统金属有机骨架材料MIL-125的合成方法需要严格的无水操作环境以及无水级的超纯试剂.由于合成过程中钛源极易水解,很难控制其水解速率.本研究组提出了一种新的MIL-125的合成方法,该法引入了耐水解的含钛无机-有机杂化低聚物,并且可以稳定合成得到高结晶度且形貌规整的MIL-125.由于MIL-125材料本身在二甲苯异构体分离领域展现出的较大优势及潜力,将新方法合成的MIL-125进行了二甲苯分离性能评价,并对其选择性显著增强的原因和不同溶剂体系下分离性能的影响进行了探讨.为了考察新方法合成的MIL-125在液相中二甲苯的分离性能.在25℃的条件下进行了二甲苯异构体的单组分液相吸附实验.单组分等温吸附曲线结果表明,pX(对二甲苯)吸附量最多,其次是oX(间二甲苯)和mX(邻二甲苯),表明MIL-125吸附剂对pX的吸附能力最强,而对mX和oX的吸附能力相对较低.同时双组分竞争吸附实验得到pX/mX的竞争选择性高达13.6,pX/oX的选择性为8左右,这种选择性优于大多数对位选择性的多孔吸附剂材料.为了在更接近工业应用的条件下评估吸附剂的动态分离性能,在造粒后的MIL-125装填的吸附柱中进行了双组分等摩尔pX/mX穿透实验,穿透曲线显示了对pX和mX的理想分离效果,并再次证实该吸附剂对pX/mX具有较高的分离选择性.穿透实验后,用溶剂洗脱吸附柱,由于洗脱过程中mX的快速解吸,pX的纯度高达99.5％.在液相吸附实验和穿透实验中溶剂的选择会影响吸附剂骨架结构对二甲苯异构体分子的分离效果.因此本文通过实验和理论计算结合探讨了不同溶剂种类对MIL-125分离性能的影响.正庚烷和均三甲苯与二甲苯分子的微量热结果表明,二甲苯分子与均三甲苯的相互作用更弱,说明二甲苯分子与骨架的结合作用更强.使用DFT理论计算了不同溶剂体系下二甲苯分子与吸附剂间的相互作用能.在两种类型的溶剂中,pX与MIL-125骨架的相互作用能均低于mX,表明MIL-125更优先吸附pX.值得注意的是,当使用均三甲苯作为溶剂时,骨架与pX/mX之间相互作用能的差异更加明显,从而导致更明显的分离效果.由于规则的晶体形貌和高结晶度,改进方法合成的MIL-125比目前的对位选择性吸附剂具有更高的pX/mX选择性.进一步的量热实验和理论计算证实了不同类型的溶剂对于二甲苯吸附分离的影响.此外,该方法解决了钛源的易水解问题,并通过引入耐水解的含钛低聚物简化了MIL-125的合成条件,这将有助于进一步将MIL-125应用于二甲苯异构体的分离,同时也拓宽了其他新型含钛材料的应用领域.     

Ag-Y/MIL-101吸附剂的制备及其吸附脱硫性能

通过银、钇双金属改性制备了Ag-Y/MIL-101吸附剂,并对Ag-Y/MIL-101进行了X射线衍射(XRD)、电镜(SEMEDS)、比表面积(BET)和热重(TG-DTG)表征。考察了Ag-Y/M IL-101金属负载顺序、金属负载浓度、金属溶液用量、负载时间对脱硫性能的影响,优化了吸附脱硫条件。结果表明,金属改性得到的Ag-Y/MIL-101保持了MIL-101的晶格结构。与M IL-101相比,Ag-Y/MIL-101的比表面积和孔容均有所下降。适宜Ag-Y/MIL-101的制备条件为:先负载银后负载钇,银离子和钇离子的负载浓度均为30 mmol/L,金属溶液用量均为1 mL,负载时间为8 h。适宜Ag-Y/MIL-101的吸附脱硫条件为:吸附剂用量0.05 g,模拟油为10 mL,吸附温度为60℃,吸附时间为8 h。在此条件下,Ag-Y/MIL-101对噻吩的吸附量达到21.7 mg/g。Ag能显著提高MIL-101的吸附硫容,Y能显著提高MIL-101的吸附选择性,因此,Ag-Y/MIL-101吸附剂中Ag和Y的协同作用使其拥有比MIL-101更高的硫容和噻吩脱硫选择性。     

一锅法制备生物炭-金属有机骨架复合材料用于吸附全氟辛酸

通过一锅法制备了一种新型生物炭-铁基金属有机骨架复合材料（MIL-101(Fe)@BC）。利用傅里叶红外光谱、扫描电镜和氮气吸附-脱附分析对材料进行表征,探究了MIL-101(Fe)@BC对全氟辛酸（PFOA）的吸附效能和作用机制,并将其与5种常用工程碳材料进行对比。结果表明,MIL-101(Fe)@BC在吸附环境pH为4,吸附时间为1 h时达到最佳吸附效果,最佳投加量为0.05 g/L。MIL-101(Fe)@BC对PFOA的吸附等温线既符合Langmuir模型又符合Freundlich模型,最大饱和吸附量为925.93μmol/g,吸附过程符合准二级动力学方程,孔隙填充和氢键作用是吸附的主要机制。MIL-101(Fe)@BC吸附和再生效能均优于已广泛使用的工程碳材料,在新污染物治理领域具有较大的应用潜力。     

金属有机骨架材料MIL-101及其改性材料去除环境污染物的研究进展

目前我国水环境以及空气面临着严峻的污染形势,许多危害人身体健康的污染物亟待治理。 金属有机骨架作为目前新兴的多孔材料,具有高孔隙率、高比表面积、结构可调性以及不饱和金属位点等特点。 这使得金属有机骨架材料具有一定的环境污染物去除能力。 围绕对苯二甲酸铬金属有机骨架材料(MIL-101)及其功能化修饰的改性材料的结构信息展开,总结了材料的主要合成方法,对功能化修饰的方法和原理进行分析,重点分析了这种材料在环境污染物去除等方面的应用研究进展,包括它在重金属离子、农药、抗生素、有机染料、碘离子等污染物的吸附处理领域的应用, 以及在污染物的监测和环境风险预警方面的应用潜力。 指出了材料在制备成本、反复利用次数、污染物后续处理等方面仍然存在的问题。     

新型HPWs@MIL-101催化剂的制备、表征及其催化性能

采用直接合成法将磷钨杂多酸(HPWs)固载到金属-有机骨架材料MIL-101的介孔笼中,制得新型HPWs@MIL-101多相催化剂。利用XRD、N2吸附、扫描电镜(SEM)、XPS、UV-Vis DRS、Raman和FT-IR等手段对该催化剂进行了表征,并研究了其在环戊烯选择氧化制备戊二醛反应中的催化性能。结果表明,磷钨杂多酸高度分散在金属-有机骨架MIL-101的介孔笼中,将磷钨杂多酸固载到MIL-101上后,能够很好地保持磷钨杂多酸的Keggin结构和载体MIL-101的晶体骨架结构。HPWs@MIL-101催化剂的催化性能远高于传统浸渍法制备的催化剂的催化性能,当磷钨杂多酸的负载量为12.5%(w)时,HPWs@MIL-101表现出最优的催化性能,环戊烯转化率高达100%,戊二醛的得率达到78.7%。重复实验表明该催化剂具有较高的稳定性,使用三次后,GA的得率仍然达到74.1%。     

五乙烯六胺改性金属有机骨架材料MIL-101(Cr)对CO_2的吸附性能

采用溶剂热法合成金属有机骨架材料MIL-101(Cr),用回流法将五乙烯六胺(PEHA)负载到MIL-101(Cr)孔道中的不饱和金属位点上,使用扫描电镜、粉末X射线衍射、氮气物理吸附、元素分析和傅里叶变换红外光谱等表征手段考察材料的结构和形貌,测试氨基改性前后的MIL-101(Cr)在25℃、不同压力下对CO_2的吸附效果。结果表明,负载0.24 m L五乙烯六胺后的MIL-101(Cr)对CO_2的吸附效果最好,在25℃、常压下对CO_2的饱和吸附量可达58.944 mg/g,相比未负载五乙烯六胺的MIL-101(Cr)吸附量(CO_2饱和吸附量为44.208 mg/g)增加了33%。随着吸附压力的增加,MIL-101(Cr)和0.24PEHAM IL-101(Cr)对CO_2的饱和吸附量逐渐增加,当吸附压力为1.1 MPa时,两者的吸附量分别为1 147.59和1 256.74 mg/g,表明该类材料在高压下对CO_2有着良好的吸附效果。     

基于金属有机骨架材料分散固相萃取-高效液相色谱法检测环境水体中两种磺胺类药物

比较了3种金属有机骨架材料(MIL-101(Cr)、MIL-101(Cr)-SO_3H和MIL-101(Cr)-NH_2)在不同pH的环境水体中对两种磺胺类药物(磺胺对甲氧嘧啶和磺胺氯哒嗪)的吸附性能,从而选择出最佳吸附剂及pH条件。研究发现pH为9时MIL-101(Cr)吸附性能最佳,进而对影响吸附及解析效率的主要因素,如吸附剂使用量、吸附时间和解析溶剂及其用量、解析时间等进行优化。优化后的最佳实验条件为:每10.0 mL样品溶液(pH=9)中加入6.0 mg的MIL-101(Cr)吸附剂,吸附4.0 min,离心去掉上清液,然后用1.5 mL的甲酸-甲醇溶液解析-10.0 min后离心。结果表明:2种磺胺类药物在5.0～8000μg/L范围内线性良好且相关系数均大于0.9990,方法检出限以信噪比(S/N=3)计磺胺对甲氧嘧啶和磺胺氯哒嗪分别为0.08μg/L、0.05μg/L,3种浓度加标回收率为71.2%～91.9%,相对标准偏差为3.1%～8.5%。     

Enhancement of CO2 adsorption on nanoporous chromium terephthalate（MIL-101） by amine modification

Carbon dioxide(CO 2) adsorption on a standard metal-organic framework MIL-101 and a pentaethylenehexamine modified MIL-101(PEHAMIL-101) are investigated and compared in this study.The adsorbent samples were characterized by XRD,FT-IR and nitrogen adsorptiondesorption isotherms analysis.CO 2 adsorption capacity was measured by a volumetric method.MIL-101 and PEHA-MIL-101 exhibited CO 2 adsorption capacities of 0.85 and 1.3 mmol CO 2 /g adsorbent at 10 bar and 298 K,respectively.It is observed that CO 2 adsorption capacity was fairly improved about 50% after amine modification.     

磁性氧化石墨烯/MIL-101(Cr)表面金属离子印迹聚合物制备及其对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)选择性吸附

本文以磁性氧化石墨烯/MIL-101(Cr)复合材料为载体,以Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)模板,多巴胺(DA)为功能单体,采用表面印迹技术成功制备一种对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)具有高选择吸附性能的磁性离子印迹聚合物。 采用傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和振动样品磁强计等技术对该磁性离子印迹聚合物的形貌、粒径大小和磁性能进行表征。 详细探讨了该磁性离子印迹聚合物对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附动力学、等温吸附性能及吸附选择性,结果表明该磁性离子印迹聚合物对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)最大吸附量分别为144.92和322.58 mg/g。 优化了磁固相萃取条件,该磁性离子印迹聚合物成功用于水样中微量Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的分离和检测,Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的回收率分别为81.99%~89.91%和81.24%~95.15%。     

CO2在氨基改性MIL-101(Cr)中吸附的分子模拟

采用实验与分子模拟结合的方法研究298 K下CO₂在氨基改性得到的MIL-101（Cr）-NH₂和MIL-101（Cr）-ED（ED：乙二胺）上的吸附性能。比较MIL-101（Cr）、MIL-101（Cr）-NH₂和MIL-101（Cr）-ED的吸附等温线与吸附热的结果,表明采用直接合成改性法得到的MIL-101（Cr）-NH₂比采用合成后再改性得到的MIL-101（Cr）-ED有更高的CO₂吸附容量。进一步比较密度分布图和径向密度分布曲线,分析CO₂在氨基改性MIL-101（Cr）中的吸附位,表明在低压下CO₂首先吸附在MIL-101（Cr）微孔的超级四面体中,随着吸附压力的增大逐渐填充到更大的孔中。氨基的存在增加了CO₂的吸附位点,使MIL-101（Cr）-NH₂具有较高CO₂吸附容量;同时MIL-101（Cr）-ED中的ED分子的存在增加了CO₂的吸附位点,使MIL-101（Cr）-ED也具有较高CO₂吸附容量;但是MIL-101（Cr）-ED中的ED分子占据了MIL-101（Cr）中Cr的吸附位点,使Cr对CO₂的吸附强度减弱,同时可吸附位点少于MIL-101（Cr）-NH₂,导致其对CO₂的吸附容量少于MIL-101（Cr）-NH₂。     

CO2在氨基改性MIL-101(Cr)中吸附的分子模拟

采用实验与分子模拟结合的方法研究298 K下CO_2在氨基改性得到的MIL-101(Cr)-NH_2和MIL-101(Cr)-ED(ED:乙二胺)上的吸附性能。比较MIL-101(Cr)、MIL-101(Cr)-NH_2和MIL-101(Cr)-ED的吸附等温线与吸附热的结果,表明采用直接合成改性法得到的MIL-101(Cr)-NH_2比采用合成后再改性得到的MIL-101(Cr)-ED有更高的CO_2吸附容量。进一步比较密度分布图和径向密度分布曲线,分析CO_2在氨基改性MIL-101(Cr)中的吸附位,表明在低压下CO_2首先吸附在MIL-101(Cr)微孔的超级四面体中,随着吸附压力的增大逐渐填充到更大的孔中。氨基的存在增加了CO_2的吸附位点,使MIL-101(Cr)-NH_2具有较高CO_2吸附容量;同时MIL-101(Cr)-ED中的ED分子的存在增加了CO_2的吸附位点,使MIL-101(Cr)-ED也具有较高CO_2吸附容量;但是MIL-101(Cr)-ED中的ED分子占据了MIL-101(Cr)中Cr的吸附位点,使Cr对CO_2的吸附强度减弱,同时可吸附位点少于MIL-101(Cr)-NH_2,导致其对CO_2的吸附容量少于MIL-101(Cr)-NH_2。     

Facile magnetization of metal-organic framework MIL-101 for magnetic solid-phase extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons in environmental water samples

The unusual properties such as high surface area, good thermal stability, uniform structured nanoscale cavities and the availability of in-pore functionality and outer-surface modification make metal-organic frameworks (MOFs) attractive for diverse analytical applications. However, integration of MOFs with magnets for magnetic solid-phase extraction for analytical application has not been attempted so far. Here we show a facile magnetization of MOF MIL-101(Cr) for rapid magnetic solid-phase extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from environmental water samples. MIL-101 is attractive as a sorbent for solid-phase extraction of pollutants in aqueous solution due to its high surface area, large pores, accessible coordinative unsaturated sites, and excellent chemical and solvent stability. In situ magnetization of MIL-101 microcrystals as well as magnetic solid-phase extraction of PAHs was achieved simultaneously by simply mixing MIL-101 and silica-coated Fe(3)O(4) microparticles in a sample solution under sonication. Such MOF-based magnetic solid-phase extraction in combination with high-performance liquid chromatography gave the detection limits of 2.8-27.2 ng L(-1) and quantitation limits of 6.3-87.7 ng L(-1) for the PAHs. The relative standard deviations for intra- and inter-day analyses were in the range of 3.1-8.7% and 6.1-8.5%, respectively. The results showed that hydrophobic and π-π interactions between the PAHs and the framework terephthalic acid molecules, and the π-complexation between PAHs and the Lewis acid sites in the pores of MIL-101 play a significant role in the adsorption of PAHs.     

Effect on selective adsorption of ethane and ethylene of the polyoxometalates impregnation in the metal-organic framework MIL-101

Impregnation of ionic nanostructured units in the pores of metal-organic frameworks (MOFs) is one approach to modify their host–guest interactions. Although, the effect of this approach is well investigated in catalysis, drug delivery, and bio imaging, still little is known about its impact on the selective adsorption properties of MOFs. Here we report the impregnation of two different polyoxometalate (POM) nanoclusters (PW₁₁ and SiW₁₁) into chromium terephthalate-based MOF, MIL-101(Cr), to investigate the post-impregnation changes in selective adsorption behavior, which are observed in terms of an important paraffin–olefin separation, using ethane and ethylene, at high pressure. The PW₁₁ and SiW₁₁ POMs bring π-accepting tendency and highly electronegative oxygen atoms on their surface to MIL-101 structure that selectively increases the affinity of material for ethylene, which is confirmed from isosteric heats of adsorption and selectivity calculation. Impregnated samples retain about 74–81 % of working adsorption capacity, after regeneration by decreasing the pressure. This study shows that anionic metal-oxide nanoclusters (POMs) may be used to change the selectivity of MOFs for olefin molecules.     

Control of the coordination status of the open metal sites in metal-organic frameworks for high performance separation of polar compounds

Metal-organic frameworks (MOFs) with open metal sites have great potential for enhancing adsorption separation of the molecules with different polarities. However, the elution and separation of polar compounds on such MOFs packed columns using nonpolar solvents is difficult due to too strong interaction between polar compounds and the open metal sites. Here, we report the control of the coordination status of the open metal sites in MOFs by adjusting the content of methanol (MeOH) in the mobile phase for fast and high-resolution separation of polar compounds. To this end, high-performance liquid chromatographic separation of nitroaniline, aminophenol and naphthol isomers, sulfadimidine, and sulfanilamide on the column packed with MIL-101(Cr) possessing open metal sites was performed. The interaction between the open metal sites of MIL-101(Cr) and the polar analytes was adjusted by adding an appropriate amount of MeOH to the mobile phase to achieve the effective separation of the polar analytes due to the competition of MeOH with the analytes for the open metal sites. Fourier transform infrared spectra and X-ray photoelectron spectra confirmed the interaction between MeOH and the open metal sites of MIL-101(Cr). Thermodynamic parameters were measured to evaluate the effect of the content of MeOH in the mobile phase on the separation of polar analytes on MIL-101(Cr) packed column. This approach provides reproducible and high performance separation of polar compounds on the open metal sites-containing MOFs.     

金属有机框架MIL-101(Fe)对水中微囊藻毒素-LR的吸附

通过溶剂热法制备了性质稳定的金属有机框架材料MIL-101(Fe),并用于吸附去除水中的微囊藻毒素-LR。采用电子显微镜、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、Zeta电位和N_2吸附-脱附等方法对制备的纳米材料进行了表征。MIL-101(Fe)具有多孔结构和较高的比表面积(375.2 m~2/g),尺寸约为500 nm。考察了pH值、离子强度、温度、吸附时间、浓度等参数对吸附剂吸附能力的影响。结果表明,静电作用和配位作用是主要的作用机理。MIL-101(Fe)对微囊藻毒素-LR的吸附速度很快(20 min内达到吸附平衡),吸附过程符合准二级动力学模型;MIL-101(Fe)对微囊藻毒素-LR表现出良好的吸附性能,其最大吸附量为256.4 mg/g。溶液中存在的腐植酸对MIL-101(Fe)的吸附性能产生一定的影响。受腐殖酸、盐类的影响,相同条件下MIL-101(Fe)对江水中微囊藻毒素-LR的吸附性能有所下降,但仍可达到68.1 mg/g。因此,该方法简便、高效,适用于快速除去污染水体中的微囊藻毒素-LR。