ACS AMI：金属调控同构NU-1801框架实现潮湿增强型有毒气体捕获

随着工业化进程的加快，有毒工业化学品如SO2和NH3的广泛使用与排放对环境和人类健康构成了严重威胁。这些气体不仅来源于工业生产过程中的副产物，也可能在运输与储存过程中发生泄漏。尽管活性炭等传统吸附材料已被广泛应用于有毒气体的捕获，但其缺乏明确的孔道结构与可调控的化学组成，限制了其在低浓度与高湿度条件下的吸附性能。金属有机框架材料因其高比表面积、可调控的孔道环境与功能化位点，展现出在有毒气体捕获方面的巨大潜力。然而，多数MOF材料在面临SO2和NH3等强极性气体时易发生结构坍塌，且在潮湿条件下常因水分子竞争吸附而导致性能下降。因此，开发具有高稳定性且在潮湿条件下仍能高效捕获有毒气体的MOF材料，成为当前研究的重要方向。

西北大学Omar K. Farha、青岛科技大学陈永伟与华南理工大学王兴杰等人成功构建了一系列具有相同拓扑结构的 NU-1801 金属有机框架材料，通过系统比较不同金属簇对材料稳定性与气体吸附性能的影响，发现 NU-1801(Zr) 在潮湿条件下对 SO2 和 NH3 的吸附能力不降反升，实现了 “ 潮湿增强 ” 型捕获。结合原位光谱与理论模拟，他们揭示了气体分子与水协同作用转化为稳定盐类的机制。这项研究不仅深化了对金属身份效应的理解，更为开发适用于真实工业环境的高性能有毒气体吸附材料提供了重要指导。相关研究成果发表于国际顶级期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》( IF 8.2 )。

本研究基于网状化学设计理念，构建了一系列具有相同拓扑结构的NU-1801材料，分别以Y6、Zr6、Hf6、Ce6和Th6金属簇为节点，以H4TCBB为有机连接体，形成具有flu拓扑的微孔框架。通过PXRD分析确认了这五种材料具有相同的晶体结构（图2a），并利用N2吸附等温线测定了其比表面积与孔容，其中NU-1801(Zr)具有最高的BET比表面积（1180 m²/g）和孔容（0.49 cm³/g）（图2b）。热重分析与XPS结果进一步表明，除NU-1801(Ce)因存在混合价态Ce(III)/Ce(IV)而导致热稳定性较差外，其余四种材料均表现出良好的热稳定性与化学稳定性。

本研究通过系统比较五种同构 NU-1801 材料在不同金属簇调控下的结构与吸附性能，揭示了金属身份对 MOF 材料稳定性与气体捕获能力的关键影响。其中， NU-1801(Zr) 不仅具备优异的结构稳定性与高气体吸附容量，更在潮湿条件下表现出对 SO2 和 NH3 的吸附增强效应。通过结合实验表征与理论计算，研究阐明了气体分子在金属簇位点的吸附机制，以及水分子参与下气体向硫酸盐与铵盐转化的化学过程。该工作不仅为理解金属身份在 MOF 材料中的作用提供了深入见解，也为设计适用于实际工业环境中高效、耐湿的有毒气体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

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