隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，有毒工業(yè)化學(xué)品如SO2和NH3的廣泛使用與排放對環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)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(yùn)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(yīng)用于有毒氣體的捕獲，但其缺乏明確的孔道結(jié)構(gòu)與可調(diào)控的化學(xué)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(jī)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(diǎn)，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(qiáng)極性氣體時易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，且在潮濕條件下常因水分子競爭吸附而導(dǎo)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(dāng)前研究的重要方向。

西北大學(xué)Omar K. Farha、青島科技大學(xué)陳永偉與華南理工大學(xué)王興杰等人成功構(gòu)建了一系列具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 NU-1801 金屬有機(jī)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(shí)現(xiàn)了 “ 潮濕增強(qiáng) ” 型捕獲。結(jié)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(zhuǎn)化為穩(wěn)定鹽類的機(jī)制。這項(xiàng)研究不僅深化了對金屬身份效應(yīng)的理解，更為開發(fā)適用于真實(shí)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(dǎo)。相關(guān)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(xué)設(shè)計理念，構(gòu)建了一系列具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的NU-1801材料，分別以Y6、Zr6、Hf6、Ce6和Th6金屬簇為節(jié)點(diǎn)，以H4TCBB為有機(jī)連接體，形成具有flu拓?fù)涞奈⒖卓蚣?。通過PXRD分析確認(rèn)了這五種材料具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（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(jié)果進(jìn)一步表明，除NU-1801(Ce)因存在混合價態(tài)Ce(III)/Ce(IV)而導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性。

本研究通過系統(tǒng)比較五種同構(gòu) NU-1801 材料在不同金屬簇調(diào)控下的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵影響。其中， NU-1801(Zr) 不僅具備優(yōu)異的結(jié)構(gòu)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(qiáng)效應(yīng)。通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征與理論計算，研究闡明了氣體分子在金屬簇位點(diǎn)的吸附機(jī)制，以及水分子參與下氣體向硫酸鹽與銨鹽轉(zhuǎn)化的化學(xué)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(shè)計適用于實(shí)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(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）