碘（I2）作為廣譜抗菌試劑，被廣泛用于荒野和外太空中的飲用水消毒。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將I-離子加入水中來穩(wěn)定I2。例如，國際空間站上的便攜式飲水機(jī)（PWD）系統(tǒng)使用總濃度約為5 ppm的碘（I2）和碘化物（KI）消毒飲用水。這些殘留的碘和碘化物需要在消毒后去除，以降低其對人體的健康危害。目前，國際空間站中使用活性炭/離子交換樹脂混合柱去除碘殘余，其碘吸附量較低，且不能在高溫水（50-90°C）中使用。因此，國際空間站目前需要首先對飲用水降溫，以去除其殘余的碘。宇航員們?nèi)绻枰獰崴?，需用重新加熱其飲用水。因此，現(xiàn)實(shí)條件下需要可以在廣溫度域有效去除水中低濃度殘余碘的材料。目前，雖然已經(jīng)有一系列多孔材料被開發(fā)用于碘單質(zhì)的吸附，但能在較大溫度范圍內(nèi)對水中低濃度的碘（I2）和碘離子（I-）協(xié)同吸附的有機(jī)多孔材料還未被報道。
圖一：HCOF-7 在水中協(xié)同去除 I2/I- 的示意圖 近年來，近日美國達(dá)特茅斯學(xué)院的柯晨峰（Chenfeng Ke）課題組開發(fā)了一系列氫鍵交聯(lián)有機(jī)框架（HCOF）材料來有效吸附水中的單質(zhì)碘。近日，其課題組在之前工作基礎(chǔ)上通過引入硝酸根離子對作為連接子，合成了新型離子型HCOF-7材料。其骨架結(jié)構(gòu)對碘分子（I2）具有強(qiáng)相互作用。在這種材料中，硝酸根離子對的存在不但有效擴(kuò)大了框架的空隙率，同時也賦予了其離子交換的能力來實(shí)現(xiàn)對碘離子(I-)的協(xié)同吸收，使其成為了有效治理水中碘污染的新型材料。 圖二：HCOF-7晶體結(jié)構(gòu)示意圖 HCOF-7的合成通過兩步方法實(shí)現(xiàn)。首先，將單體與硝酸共結(jié)晶，得到一種離子型的有機(jī)單晶。在溶劑置換和硫醇擴(kuò)散后，紫外光照射引發(fā)thiol-ene反應(yīng)可以將晶體中預(yù)組織的烯丙基共價交聯(lián)，得到具有硝酸根離子對連接的多孔 HCOF-7晶體。單晶結(jié)構(gòu)顯示HCOF-7具有較大的一維通道。其與I2和I-相互作用的活性基團(tuán)裸露在孔道中。相比于交聯(lián)前的單晶，交聯(lián)后的HCOF-7晶體的穩(wěn)定性獲得了大幅提升。同時，硝酸根離子對(NO3-)2缺少離子間氫鍵而更容易進(jìn)行離子交換。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)HCOF-7可以在20-90度下對水溶液中的低濃度碘和碘離子進(jìn)行高效吸附。 圖三：HCOF-7的碘靜態(tài)和動態(tài)吸附性能 為模擬國際空間站中的實(shí)際情況，研究團(tuán)隊(duì)制備了5 ppm 的I2/I-混合溶液。在室溫下，經(jīng)HCOF-7吸附后的總碘殘余量低至0.22 ppm。即使存在諸如NO3-,H2PO4-,SO42-,Cl-,和HCO3-等競爭陰離子的情況下，吸附后的總碘殘殘余量依然維持在較低水平(0.27—0.43 ppm)。此外，吸附了I2后的HCOF-7可以展示出更高的I-陰離子交換效率，從而展示了I2和I-的協(xié)同吸附。HCOF-7填充的色譜柱在不同溫度下的動態(tài)吸附展示出較低的總碘殘余量(0.4-0.8ppm)和較大的過載體積（18.3-20.3 L/g）。其過載體積明顯高于活性炭/離子交換樹脂混合柱。本研究為野外或空間站等極端環(huán)境中使用多孔材料去除碘和碘化物提供了實(shí)例。 論文信息 A Crosslinked Ionic Organic Framework for Efficient Iodine and Iodide Remediation in Water Mingshi Zhang, Dr. Jayanta Samanta, Benjamin A. Atterberry, Dr. Richard Staples, Dr. Aaron J. Rossini, Dr. Chenfeng Ke 文章的第一作者是博士生張明石。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202214189
