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湖南大學團隊研發出超強吸附性的“雙非”材料

文章來源：賢集網更新時間：2023-10-24 14:43:52

近日，湖南大學何清課題組基于超蕃分子籠首次報道了一類新概念非多孔非晶態（“雙非”）超吸附材料。這類材料不僅對碘蒸氣具有優異的捕獲能力，而且可以通過靜態或動態吸附的方式將模擬廢液中的I2或I3―高效分離出來。

該“雙非”超吸附材料對水溶液中碘的最大吸附量以及廢液中痕量碘的清除能力和選擇性超越了目前所有多孔吸附材料，同時具有良好的可回收性和重復利用性。這項研究工作為發展先進功能吸附材料開辟了一條新途徑。

核污水排放下，超吸附材料需要站出來

作為一類核燃料，放射性核素在為人類提供新能源的同時，也帶來了一系列威脅人類生存與健康的社會性問題。

2011 年，發生在日本的福島核電站泄露事故，導致大量具有放射性的物質（比如碘）進入大氣和水體中，對相關海域生態造成了巨大危害。

最近，日本政府正式決定將福島第一核電站上百萬噸核污水排入大海，再度引起世界各國對全球海洋生態和環境安全的廣泛關注。

目前，已有多種吸附材料可實現對碘的高效吸附，包括多孔吸附材料和非多孔自適應晶體材料。其中，多數吸附材料對氣態碘具有很好的吸附效果，具備吸附容量較大、吸附速率較快等優勢。

但是，一旦將其用于水體中碘的吸附清除，這些材料的吸附效果幾乎都會大打折扣。鑒于真實含放射性碘核廢液的復雜性，例如目標成分含量低、干擾性成分濃度高、極酸等，極少有吸附材料能夠直接用于真實核廢液的無公害化處理。因此，發展高效、高選擇性的新概念碘超吸附材料，具有重要的理論價值和實踐意義。

基于此，湖南大學何清教授團隊開發出了一款非多孔非晶態（“雙非”）超吸附材料。研究表明，這種新型超吸附材料對于碘的吸附容量、吸附速率和選擇性，均可超越目前所有的多孔吸附材料。故有望用于將真實核廢液中放射性碘清除到安全排放標準以下，以實現核廢液無公害化處理的目標。

該成果首次證實，長期被認為不具備良好吸附能力的“雙非”材料，在極端復雜條件之下對于水體中碘的吸附性能，可以與高端多孔吸附材料相媲美，甚至超越高性能多孔吸附材料。

這意味著合成大環和分子籠在吸附方面的性質可能長期被忽視了。并且，這類材料制備方法比較簡單，可以避免晶態材料的苛刻制備過程，對于工業界具有巨大的吸引力。

整體來看，這項研究以碘吸附為例，首次證實了“雙非”吸附材料作為高性能超吸附材料的可能性，為發展先進吸附材料提供了新思路。

該研究工作顛覆了人們對于“雙非”材料的傳統認知，也為超高性能吸附材料的研究提供了嶄新思路，開辟了非多孔非晶態超吸附材料新方向。更為發展新型超高性能吸附材料，并將其用于解決現實生活、生產中遇到的諸多技術瓶頸問題奠定了基礎。

被遺忘在世界另一個角落的“雙非”材料

吸附材料，在生活中可謂處處可見。比如，人們使用吸附型凈水器來凈化飲用水，以及使用活性炭吸附甲醛凈化室內空氣等。談到吸附材料，人們往往會聯想到多孔吸附材料，例如活性炭、分子篩和沸石。

以往研究發現，多孔吸附材料的孔隙率決定了多孔介質的吸附性。孔隙率越大，多孔材料的吸附能力往往越強，就能吸附更多的物質。

因此，根據現有吸附理論，在開發高性能的吸附材料時，往往需要讓所制備的吸附材料，具有盡可能高的孔隙率、以及盡可能大的比表面積。

過去幾十年間，金屬有機框架材料、共價有機框架材料、多孔有機聚合物和多孔有機籠的出現，將多孔吸附材料的發展推向了一個新階段。

與傳統吸附材料相比，這些新型多孔吸附材料往往不僅具有很大的孔隙率和比表面積，而且結構多樣、易修飾、選擇性更好。

與多孔材料相比，非多孔材料往往被認為吸附性能很差、甚至不具備吸附能力。直到 21 世紀初，人們才逐漸發現某些具有結晶性的非多孔材料（即非多孔晶態材料），對一些特定的客體分子也具有一定的吸附能力。

這類基于大環或分子籠的分子材料，被稱之為非多孔自適應性晶體材料。雖然這類材料具有易于規模制備、溶液加工性好、重復利用性高等特點。

但是與多孔材料相比，它們對目標客體分子的吸附量小、吸附速率慢，特別是在水溶液中的吸附性能不理想。

因此，人們依然普遍認為，非多孔吸附材料在吸附容量和吸附速率等方面依然無法與多孔吸附材料，特別是無法與高性能多孔吸附材料（比如氣凝膠）相媲美。

在吸附材料領域，與多孔非晶態材料、多孔晶態材料和非多孔晶態材料相比，“雙非”材料由于被認為不具備良好的吸附性能而長期被遺忘在世界的另一個角落。

然而，“雙非”材料在自然界以及人類生產活動中十分常見。比如，實驗室和工廠直接合成出來的多數有機固體產物，都屬于“雙非”材料。

特別值得指出的是，過去幾十年隨著有機合成化學、以及超分子化學的飛速發展，大量功能性環狀或籠狀超分子主體相繼被合成出來。這些直接被合成出來的分子材料，在多數情況下是非多孔、非晶態的，往往被認為不具備良好的吸附性能。

“小”超蕃，“大”吸附

自從何清在湖南大學成立課題組之后，便以“新結構·新性能·新應用”為導向，致力于新型功能（超）分子體系包括大環和分子籠的設計合成，并將其作為（超）分子工具，用于解決生命科學、材料科學、環境科學及能源科學等領域中的重要問題。

近年來，該團隊發展了一類全新的功能分子體系——超蕃。超蕃，是指一類由上下兩個平行的苯環通過六條側鏈連接起來形成的特殊分子籠結構。

超蕃分子不僅具有高度對稱的結構之美，而且具有特殊的熒光及主客體化學性質，在吸附分離、催化、醫藥等方面具有重要的應用前景。

最新研究發現，他們設計合成的超蕃功能分子雖然具有非多孔、非晶態的性質，但是無論對氣態的碘、還是對水體中的碘，都具有異常優異的吸附能力。

即便對于極端復雜的類真實核廢液體系，無論是在靜態吸附條件下、還是在動態吸附條件下，這類超蕃材料對于碘的吸附容量都超越了目前報道的所有多孔吸附材料。

此外，在吸附速率、穩定性、規模化生產、以及可重復利用性等方面，該類“雙非”超吸附材料也具有明顯的優勢。

不過，何清表示：“坦白地講，這個研究課題純屬意外發現。”前期，該團隊建立了超蕃功能分子的合成方法學，為功能超蕃體系的設計與合成奠定了基礎。

他們將吡啶功能基元引入到超蕃骨架中，旨在賦與超蕃更加優異的主客體識別性能。經過三個月左右的探索，課題組成功合成了一類吡啶基功能超蕃。

對于一個新結構而言，其特殊性質、以及優異性能往往很難被預測，同時也具有很大的不確定性，但這也是研究新結構的魅力所在。

為此，該團隊利用合成的超蕃功能分子，做了大量的主客體化學研究。結果卻發現這些超蕃功能分子在主客體識別方面，并未給出出彩的結果。

而當他們嘗試碘吸附性質時，起初也并未獲得較為驚人的發現。即其對于氣態碘的吸附容量，與目前已經報道的最佳多孔吸附材料相比仍然有著較大差距。

何清說：“這一實驗結果讓我們有一些沮喪。當我的博士生周維把超蕃材料的孔隙率和比表面積測出來之后，我們卻驚奇地發現，與傳統多孔材料相比，超蕃材料的比表面積非常小，幾乎可以忽略不計。但是，其對于碘的吸附容量卻與優異多孔吸附材料相當。”

更有意思的是：對于傳統多孔吸附材料來說，它對于水體中碘的吸附容量與氣態碘吸附容量相比往往會呈直線下降。

然而，超蕃材料卻可以得到與傳統吸附材料大致相反的結果，即超蕃材料對于水相中碘的吸附容量，比氣態碘的吸附容量更大。

也就是說作為一種“雙非”材料，超蕃卻能對水相中的碘表現出異常優異的吸附性能。這讓研究團隊異常興奮，但同時也讓他們百思不得其解。

按照正常的研究思路，合成得到一類材料之后，在測試吸附性能之前，往往會先測試一下材料的孔隙率和比表面積，然后判斷是否有必要做后續的吸附研究。

“但是我的學生周維在實驗過程并沒有墨守成規，他先是探索了超蕃材料的吸附性能，再測試材料的孔隙率和比表面積，于是才有了這個意想不到的重要發現。”何清說。

而如果周維按部就班，在發現孔隙率和比表面積非常小之后，根據“孔隙率小、比表面積小的材料吸附性能差”的傳統經驗，那就很可能不會開展后續的吸附研究了。如此下來，他們很可能會與這個重要發現失之交臂。

再后來，他們花費了整整半年時間來研究其中可能的吸附機理，期間提出了各種假設，并逐一進行驗證。

最終，該團隊提出了一種“吹氣球”模型，相對完美地解釋了超蕃吸附碘的機理，也得到了實驗與理論計算結果的支撐。

此外，對于亞胺穩定性的經驗性誤判，也是本次研究中的一個小插曲。該團隊所合成的超蕃材料是基于亞胺鍵構筑起來的，即一個超蕃分子中含有六根亞胺鍵。

亞胺鍵屬于動態可逆共價建，在酸催化作用下很容易在水解之后重新回到的醛與胺結構。因此，亞胺往往對酸性水溶液比較敏感。

當周維在測試不同 pH 條件下超蕃對于碘的吸附性能時，周維發現這類材料即便在很寬的 pH 范圍內（pH=3-10），也能高效、高選擇性地吸附碘。

“我當時看到這個結果的時候非常驚訝，認為 pH 為酸性條件下的吸附結果很可能不可靠。因為根據經驗在如此酸性的條件之下，含有亞胺鍵的超蕃分子籠極有可能被破壞掉了。”何清說。

為了打消他的疑慮，何清讓周維一方面對實驗進行了重復，得到了一樣的結果；另一方面，又建議周維利用核磁共振技術，對超蕃的穩定性進行監測。

結果均證明，在 pH 大于 3 的條件之下，含有亞胺鍵的超蕃確實是穩定的，并且能夠對碘進行高效吸附，這也讓他們對亞胺化學有了新的認識。

最終，相關論文以《高效選擇性吸附水中碘的非多孔非晶態超級吸附劑》（Nonporous amorphous superadsorbents for highly effective and selective adsorption of iodine in water）為題發在 Nature Communications[1]，博士生周維是第一作者，何清擔任獨立通訊作者。

展望未來

雖然這一發現其實是純屬意外，但這也充分說明了研究新結構的魅力所在。對于一個新結構而言，其特殊性質、以及優異性能往往很難被預測，同時也具有很大的不確定性。

此外，在實際應用中，該類“雙非”超吸附材料還有著廣泛的應用前景。例如，可以用于水質凈化、環境污染治理、食品安全監測等領域。因為，碘是一種廣泛存在于自然界和人造物質中的元素，它的污染問題已經引起了人們的廣泛關注。因此，對于具有高效吸附性能的材料，其應用前景也是非常廣泛的。但是，對于這一發現，研究團隊仍然需要進一步探索和研究。

例如，他們需要深入了解這種“雙非”超吸附材料的吸附機理和吸附性能。同時，他們也需要進一步優化材料的性能，以滿足實際應用的需求。因此，未來的研究和探索還有很長的路要走。

總之，該課題組的發現為我們展示了研究新結構的魅力所在，也為我們揭示了這類“雙非”超吸附材料的優異性能。

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