导读

重金属离子是水中严重的有毒污染物，具有高毒性和生物累积性的特征，可引起脑、肝、肾和免疫系统等严重健康问题。用于去除水体重金属污染的常规方法包括膜法、溶剂萃取法、过滤法和化学沉淀法等，与其他技术相比，吸附法被认为是治理重金属污染最有效的方法之一。金属有机骨架(MOFs)由于其比表面积大、化学稳定性好、可修饰性强而被认为是最有应用前景的有毒离子吸附材料之一。

MOFs是一系列由金属簇和有机配体配位而成的新型复合材料。MOFs具有孔隙有序度高、比表面积大、易于功能化、热/化学稳定性好等优点，可用于气体储存、分子分离、能量储存、离子检测、药物输送、催化和传感器件等。几十年来，学者们已经验证了MOFs及其复合材料在重金属离子去除领域的潜在应用，并且综述了材料的合成方法、吸附性能和吸附机理等。然而，MOFs的选择性吸附和非选择吸附的性质和机理对于此类材料的离子分离特性、改性和合理的设计均具有重要的指导意义，但目前从此方向展开的综述还比较缺乏。

为了解决以上问题，实验室硕士生唐梦雨和博士生关乾综述了用于重金属吸附的MOFs材料及其前沿进展。研究首先讨论了MOFs的合成策略，然后基于MOFs结构、热力学分析和理论计算介绍了相关的吸附机理。此外，还介绍了MOFs材料在重金属离子的选择性和非选择性吸附（广谱吸附）方面的实际应用及其吸附性能。我们旨在通过了解现有重金属MOFs吸附剂的吸附机理、结构、吸附特性，以及目标离子与吸附位点的结合构型来定向设计和构建不同性能的MOFs材料。同时，文中还重点介绍了MOFs在商业化生产中的最新应用和进展。这一综述对用于离子吸附的MOFs的设计与合成，以及其环境污染治理具有重要意义。这一综述对今后MOFs的设计与合成，以及环境污染治理具有重要意义。相关工作已发表于工程技术类期刊Separation and Purification Technology (2024)。

第一作者：唐梦雨和关乾

通讯作者：区然雯 副教授；

通讯单位：厦门大学环境与生态学院；

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127059

图1. MOFs材料的吸附性能由MOF簇、MOF配体和MOF聚合物决定

主要内容

合成策略：用于吸附重金属离子的MOFs的合成方法可分为水热法、溶剂热法、辅助合成法、转化法和修饰合成法。

吸附机理：根据吸附位点划分，MOFs对重金属离子的吸附机理可分为与金属簇配位作用和离子交换、与接枝在金属簇上的分子的配位作用、与有机配体或聚合物链上官能团的配位和静电相互作用等。

分析方法：计算和分析MOFs吸附剂的吸附性能及吸附机理的工具有热力学计算和理论计算，其中理论计算包含密度泛函理论和分子模拟。

实际应用：根据目标离子分类，列举了多种选择性重金属离子MOFs吸附剂的吸附性能及机理，说明在MOFs中引入不同的官能团，可以实现对目标离子的选择性吸附。此外，文中还列举了广谱性重金属离子MOFs吸附剂，这种MOFs吸附剂具有很强的螯合吸附位点，对多种重金属离子都有高的亲和力。

图2 汞特异性MOFs吸附材料（TLMSM）的吸附性能及机理

图3 广谱性MOFs吸附剂（MOF-808-EDTA）可以吸附多种金属离子

结论与展望

本文综述了选择性吸附和广谱性吸附的MOFs吸附材料对水体中重金属离子吸附去除的研究进展并提出了合理并针对性设计重金属离子MOFs吸附材料的思路。首先，应深入了解目标离子和系列官能团的吸附机理，寻找合适的官能团作为吸附位点。其次，根据合成策略将官能团有机融合于金属簇、配体或客体中制备MOFs吸附剂。最后，对吸附剂的吸附性能进行表征，以优化MOFs吸附材料的吸附性能。

MOFs作为一种高效吸附材料，在重金属离子吸附领域表现出优异的性能、突出的发展潜力和竞争优势，但在未来的实际应用方面还面临几个障碍和挑战：(1) 在实际应用时要进一步考察MOFs材料的水稳定性 (2) MOFs材料吸附位点与重金属离子的相互作用机理有待深入探索，表面形貌和孔隙结构对其重金属离子吸附行为的影响尚不明确。(3) MOFs材料的传统合成方法在质量控制和环保方面存在不足，多数方法不适合商业化生产。(4) 针对真实工业废水中重金属离子的同时治理，可用于吸附系列重金属离子的MOFs吸附材料有待进一步设计和开发。(5) 传统MOFs材料的再生依赖于强酸、强碱或高浓度有机溶剂等，开发能够通过更温和条件再生的MOFs也是一个需要深入研究的方向。(6) MOFs的实际应用还需考虑其结构稳定性、释放组分的环境毒性、性能的稳定性等条件，使用环境威胁较小的稳定型MOFs更为合理。