【JACS】浙江大学肖成梁/徐雷：“捕蝇草”仿生超分子材料动态捕获放射性铯-137

导语

放射性铯-137（¹³⁷Cs）是核事故、核废水处理和放射源泄漏中最受关注的长寿命核素之一。它在水中通常以高度可溶的Cs⁺形式存在，迁移性强，并能释放β和γ射线，对生态环境和人体健康构成长期威胁。真实水体中，Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等竞争离子浓度往往远高于痕量Cs⁺，因此如何在复杂背景中快速、选择性地捕获Cs⁺，一直是放射性水处理领域的关键难题。

近日，浙江大学肖成梁、徐雷团队报道了一种仿生超分子材料ZJU-X66。该材料为阴离子型铟基金属有机框架（MOF），其孔道中有序排列着24-冠-8醚单元和In(COO)₄⁻节点。二者协同构筑出类似“捕蝇草”的超分子识别位点：当Cs⁺进入孔道后，材料并非进行简单的静态离子交换，而是被Cs⁺触发发生局部构象调整和孔腔收缩，最终将Cs⁺封装在带负电的超分子空腔中，实现“识别—响应—闭合—锁定”的动态捕获。

图1. ZJU-X66中仿生“捕蝇草”结构及Cs⁺动态捕获示意（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

前沿科研成果

性能测试显示，ZJU-X66对Cs⁺具有极快的吸附动力学。在非放射性体系中，1分钟内即可去除超过98%的Cs⁺，最大吸附容量达到187 mg/g。在真实放射性条件下，材料同样表现突出。在西湖水样中5分钟即可达到吸附平衡，10分钟去除率超过98%；在纯水中30分钟内对¹³⁷Cs⁺的吸附分配系数超过10⁷mL/g，在多种复杂水体中仍能保持10⁵mL/g以上。即使面对10⁹倍过量Na⁺、10⁸倍过量Ca²⁺/Mg²⁺或10⁶倍过量K⁺/Sr²⁺，ZJU-X66仍能维持优异的¹³⁷Cs⁺去除能力。

图2. ZJU-X66对¹³⁷Cs⁺的去除性能图（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

研究团队通过多种原位、准原位和时间分辨表征手段，系统追踪了Cs⁺进入材料孔道后的动态吸附过程，揭示了该材料实现高选择性的结构基础。二维原位红外和原位拉曼结果显示，Cs⁺接触材料后，冠醚单元中的C–O–C振动首先发生响应，说明冠醚氧原子是Cs⁺进入孔道后的初始识别位点；随后，羧酸基团、芳香骨架以及整体框架结构依次产生变化，表明吸附并非单个位点独立作用，而是由冠醚识别引发、金属羧酸节点协同参与的逐级响应过程。单晶X射线衍射进一步给出了这一动态闭合过程的结构证据。Cs⁺进入ZJU-X66后，冠醚氧原子与羧酸氧原子共同参与配位，形成多点相互作用，使孔腔发生明显收缩，类似捕蝇草闭合后将猎物包裹其中。相比之下，Na⁺、K⁺、Sr²⁺等竞争离子无法诱导同样的闭合构型，甚至会导致孔腔扩张或弱相互作用状态。这种只有Cs⁺能够触发闭合的结构响应，是材料高选择性的关键来源。

图3. ZJU-X66吸附Cs⁺的动态过程表征（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

此外，固体核磁、X射线吸收精细结构、TOF-SIMS等表征从局域化学环境和元素分布角度进一步验证了Cs⁺在框架内部的结合方式。结合分子动力学和DFT计算，研究团队证明Cs⁺较低的脱水能、合适的离子半径以及与冠醚/羧酸氧原子的强静电相互作用，共同降低了其进入超分子空腔并触发框架闭合的能垒。换言之，ZJU-X66并不是依靠单一强配位位点捕获Cs⁺，而是通过尺寸匹配、脱水行为和框架柔性响应之间的协同，实现了对Cs⁺的动态识别与选择性锁定。

总体来看，该工作不仅报道了一种高效、稳定的¹³⁷Cs⁺吸附材料，更重要的是通过原位光谱、单晶结构解析、局域配位表征和理论计算相结合，完整描绘了Cs⁺从进入孔道、诱导冠醚响应、触发框架收缩到最终被限域封装的动态过程。这种“可响应、可闭合、可锁定”的仿生超分子吸附机制，为复杂水体中痕量放射性离子的高选择性分离提供了新的设计思路。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上（DOI：10.1021/jacs.6c11091）。文章第一作者为浙江大学王文昌和徐晓铖，通讯作者为浙江大学化工学院肖成梁研究员、农业与生物技术学院徐雷副研究员。感谢国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。

论文信息

A Smart Biomimetic Supramolecular Adsorbent for Dynamic Radiocesium Capture from Contaminated Water

Wenchang Wang, Xiaocheng Xu, Lei Li, Rui Wen, Xiaofan Yang, Hanxi Guan, Sufen Zhang, Lei Xu*, Chengliang Xiao*

J. Am. Chem. Soc.,2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c11091

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