化学与化工学院张树鹏教授团队本科生一作发表中科院一区SCI综述论文

2024-06-07来源:化学与化工学院作者:范扬审核人:钱华编辑:李英阅读:14

近日,我校化学与化工学院2021级本科生、国家级大学生创新训练计划项目小组成员沈蓥、康嘉伟、郭禄祺作为共同第一作者在工程技术领域重要期刊《Separation and Purification Technology》(中科院一区TOP期刊,IF=8.60)发表了题为“Recent progress on the application of MOFs and their derivatives in adsorbing emerging contaminants”的SCI综述论文。这篇综述聚焦于对人类生命和健康构成重大威胁的新兴污染物,分析了不同的制备和改性方法对MOFs结构的影响以及对MOFs及其衍生物吸附性能的改善,提出用绿色低成本的化学方法将废弃物转变为高附加值的MOFs材料,并进一步分析了吸附机理及影响吸附性能的因素。这篇综述强调了MOFs材料的应用价值,总结了MOFs材料在吸附新兴污染物方面面临的挑战,并对未来的大规模应用提出了建议,旨在为未来研究人员制备新型MOFs材料用于新兴污染物方吸附领域提供新思路。论文指导教师及通讯作者为化学与化工学院张树鹏教授和范扬讲师,论文第一单位和唯一通讯单位均为南京理工大学。

论文截图



图文摘要

水是生命之源,人类在地球上的一切生产活动都离不开水。然而,具有生物毒性、环境持久性和生物累积性的新兴污染物已被发现广泛存在于整个生态系统中。吸附法适用于处理各种类型的废水,是去除各种污染物最有前景、最具成本效益的方法之一。金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,简称MOFs)是一类由金属离子或金属团簇与有机配体通过配位键自组装形成的多孔晶体材料,因其具有高比表面积、高孔隙率、易于调节的孔径和结构、丰富的活性位点等突出特点,在催化、传感、超级电容器和废水净化等领域受到了广泛的关注。特别是,MOFs具有合成容易且成本低,操作简单,环境友好等优点,被认为是一种优异的水中污染物吸附剂。近年来,运用吸附法去除水中污染物已成为当前的研究热点,与MOFs相关的研究也逐年增加。

近年来关于吸附法去除水中污染物的研究论文数量


       这篇综述的亮点在于针对当前水中多种新兴污染物的吸附过程,总结并分析了MOFs材料的功能化应对策略及相关吸附机制。首先,在吸附放射性污染物方面,基于许多放射性物质易与含氧、硫或氮等功能基团形成强螯合作用的特点,总结并提出了MOFs的多种功能化途径;在吸附微塑料方面,现有研究表明具有大量功能基团或缺陷的MOFs纳米颗粒可能与微塑料发生氢键或范德华力等相互作用。基于此,提出了功能化的MOF具有更多活性位点和更稳定的结构。此外,高浓度微塑料的水体通常具有高盐度(如海水、特定工业废水等),在高盐度水环境中的吸水和腐蚀严重阻碍了MOF的实际应用。因此,在MOFs应用于吸附和去除微塑料时,需要专注于确保其在实际环境中具有良好的稳定性;在吸附全氟烷基化合物方面,不同金属节点和有机配体生成的MOF对吸附去除水中的全氟辛烷磺酸盐(PFOS)有着重要影响,而增加有机配体的长度可以提高对PFOS的吸附性能,使形成的MOF骨架窗口较大,可以充分利用内部空间,促进PFOS轻松进入MOF孔中,表现出更好的吸附能力;在吸附抗生素(特别是治疗新冠相关药物)方面,总结了MOFs吸附的三种可能机理途径,并提出MOFs在水中的转化过程、环境酸碱度以及复合材料的选择同样对于吸附效果有重要影响。


功能化MOFs在吸附抗新冠药物方面的应用


功能化MOFs在吸附全氟烷基化合物方面的应用

功能化MOFs在吸附微塑料方面的应用


最后,对于MOFs吸附新兴污染物这一方向上存在的问题与挑战进行了总结,并对未来发展趋势作出了展望。尽管MOF及其衍生物对废水中放射性污染物、新冠相关药物、全氟烷基物质、微塑料等新污染物表现出优异的吸附性能,但实际上,MOF的应用仍处于相对初步阶段,仍面临一些较大的挑战如现有研究大都使用实验室制备的样品进行,无法真实模拟在实际水体中的复杂性以及一些极端情况;吸附过程中离子浸出造成的二次污染、合成成本高及材料回收利用等问题。尽管MOFs材料在实际水体处理和工业上大规模应用方面面临诸多挑战,但是它在水处理领域仍表现出巨大的潜力。随着研究的进一步深入,未来MOFs在吸附领域会有更加光明的前景。

沈蓥、康嘉伟、郭禄祺三位同学自大二开始就进入张树鹏教授课题组学习。在此期间,三位同学充分利用课余及寒暑假时间积极开展实验研究,并定期开展文献交流会,分享各自近期所读文献,力求共同进步。小组三位同学在日常阅读文献过程中的积累与交流促使了这篇综述的完成和发表。小组三人合理分工,各自从单金属、双金属和复合MOF材料三个方面切入,层层深入,分析不同制备和改性方法对MOFs吸附性能的影响以及在吸附抗生素类物质、放射性污染物、微塑料、全氟烷基类物质等新型污染物方面的应用。张树鹏教授课题组注重培养学生的科研思维,为本科生开展科研训练提供了良好的科研实验场所以及充足的经费支持。同时,张树鹏和范扬老师定期与同学们交流并鼓励学生多进行尝试,切实为学生发展提供良好科研平台。

Shen, Y.; Kang, J.; Guo, L.; Qiu, F.; Fan, Y.; Zhang, S. Sep. Purif. Technol. 2024, 350, 127955.

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586624016940