第一作者：胡来钢
通讯作者：杨坤
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202425429
近年来，随着环境与健康问题日益受到关注，苯等有害气体的高效捕获成为研究的重点。苯是一种广泛存在的工业污染物，特别是在突发性环境事故中，对人体健康及环境造成重大影响。尽管传统的微孔MOFs在低浓度苯的吸附中表现优秀，但在高浓度吸附过程中往往受到其孔容有限的限制。相比之下，介孔MOFs因其较大的孔径和孔容，在吸附高浓度苯分子方面具有更高的潜力。然而，目前报道的高性能介孔MOFs大多含有一些毒性较大的金属元素（如铬、锌等）这限制其实际应用。开发一种无毒、稳定且具有大孔容的介孔MOFs以用于高浓度苯吸附，已成为当前研究的一个关键方向。铝基MOFs由于其原料丰富、低毒性和良好的稳定性，受到了广泛关注。铝是地壳中含量丰富的元素之一，并且与羧酸类配体的配位键具有较高的稳定性。铝基MOFs在吸附有毒气体时通常具有较低的吸附热，这意味着它们在再生过程中能够显著降低能耗。因此，设计和合成具有大孔容的铝基介孔MOFs，不仅能够满足高浓度苯的吸附需求，同时在实际应用中有助于降低能源消耗和操作成本。
ZJU-928(Al)是一种新型的铝基介孔金属有机框架材料。该材料由联苯-3,4’,5-三羧酸配体（H3BTA）与低毒性的铝氧团簇（AlO6）组成（图1），具有较大的孔容（1.05 cm³/g）、有序的六方通道（32.10 Å）和高比表面积（2344 m²/g）（图2）。这些特性使得ZJU-928(Al)在高浓度苯的吸附方面表现出优异的性能。实验结果表明，在相对压力为0.10时，ZJU-928(Al)的苯吸附量达到9.99 mmol/g，且其饱和苯吸附量可达11.37 mmol/g（图3），这使其成为当前已报道的铝基MOFs中表现最为出色的材料之一。此外，ZJU-928(Al)还表现出优异的热/化学稳定性和良好的循环吸附性能。在多次吸附-脱附循环实验中，其吸附能力几乎没有下降（图3）。ZJU-928(Al)的苯吸附等温线显示出较低的吸附热（24.52 kJ/mol），表明该材料在再生过程中能耗较低。此外，研究还通过模拟和实验验证了ZJU-928(Al)的苯扩散系数为2.65 × 10⁻5 cm²/s，是目前报道的最高值，这表明苯在材料中的扩散速度十分快。结构分析显示，ZJU-928(Al)的框架中包含三种苯吸附位点：位于铝氧团簇附近的位点I、靠近H3BTA配体的位点II，以及位于六方通道中心的位点III（图4）。随着压力的增加，苯分子首先优先吸附到位点I，随后逐步扩散到位点II和位点III。这一独特的吸附机制使得ZJU-928(Al)能够在高浓度条件下吸附更多的苯分子。综上所述，ZJU-928(Al)在实际环境中应对突发性环境事故中具有优异的前景。
图1. ZJU-928(Al)的框架结构由Al8(OH)15(−COO)9铝簇（a）和H3BTA配体（b）所组成，其具有正六边形的孔道（c）
图2. ZJU-928(Al)在77 K下的N2吸附脱附等温线（a），框架密度（b），累积孔容和孔径分布（c），HRTEM图（d)，以及MOFs的饱和苯吸附量与孔容的关系
图3. ZJU-928(Al)的蒸汽吸附曲线，包括苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯和环己烷（a，b），及其在低浓度时的吸附热（c），苯循环吸附性能（d），扩散系数（e）及苯吸附动力学曲线（f）
图4. 在P/P0 = 0.001（a）、P/P0 = 0.01（b）以及P/P0 = 0.1（c）时，苯在ZJU-928(Al)的吸附位点，以及主体-客体（位点I和II）和客体-客体（位点III）相互作用示意图（d）