面向水中非甾体类消炎药选择性吸附光催化分解的金属有机框架的设计与机理研究

Nowadays, one of the most challenging sustainability issues faced by society is the safety of water resources. Occurrences of pharmaceuticals in the aquatic environment have raised increasing concerns in recent years. Pharmaceuticals can pose considerable threat to human health and the ecosystem when they are released into the environment. Metal−organic frameworks (MOFs) has highly ordered and porous crystalline structures. They have been recognized as a potential alternative to overcome the technical limitations in the area of water pollution control. Adsorptive and photocatalytic removal of nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) will be studied. Due to the advantages of MOFs such as tailored pore environment and high surface areas, the selective preconcentration of nonsteroidal anti-inflammatory drugs and efficient utilization of active sites will be realized. Mechanism will be investigated. We will develop noval efficient metal−organic frameworks (MOFs) for degradation nonsteroidal anti-inflammatory drugs effectively.

水中药物和个人护理品（PPCPs）种类繁多、性质各异、水中含量低但危害大，其引起的水环境污染在全世界范围受到了广泛关注，成为了环境领域的研究热点。其具有环境持久性、生物累积性以及高毒性，会危害生态系统和人类健康，造成潜在的环境风险。如何实现其高效降解已成为迫在眉睫需要解决的问题，成为了近年来水污染控制的重点。开发具有化学稳定性的选择性吸附-降解复合材料一直是水处理领域研究的热点。本项目拟利用金属有机框架（MOFs）材料比表面积大、孔径及孔内化学环境易调控等优势实现对非甾体类消炎药的高效选择性吸附与预富集，通过充分暴露光催化活性位点，实现吸附-光催化性能。通过MOFs材料作为研究平台，系统研究金属中心改变、有机配体修饰以及拓扑结构变换对MOFs材料吸附、光催化性质的调控、明确构效关系并探索降解途径与机理。开发出一系列针对水中非甾体类消炎药高效去除的新型材料。

消除微量有机污染物可以保证水质的安全和水生生态系统的稳定。新型污染物在人类环境中有着复杂多变的存在形式。2022年5月，国务院办公厅印发了《新污染物治理行动方案》，统一协调各单位进行新污染物治理工作。药物及个人护理品在新型污染物中占主要比例。其种类繁多并频繁在地表水甚至在地下水和生活饮用水中检出。因而急需研究发展针对水中微量有机污染物的处理材料与技术。金属有机骨架材料（Metal-organic framework, MOFs）是一种有金属离子或金属团簇和有机配体通过配位键和共价键连接的多孔结晶材料，在污染物净化领域具有巨大的潜力。本项目中的金属选择了包括廉价易得、生物相容性好并且低毒性的金属或者具有催化活性的金属如Fe, Co, Cu, Sc, Zr 等，合成了MIL系，PCN系列，NU-1000系列、UIO系列以及ZIF系列的材料。通过以上代表性MOFs系列为研究平台，系统研究改变金属中心、有机配体以及拓扑结构对材料吸附、光催化性能的影响，通过材料性质表征明确材料的构效关系、探究降解机理、优化反应条件、识别光催化分解中间产物、推测反应途径、根据吸附和光催化性能评价进一步调控与设计MOFs材料合成，最终合成一类具有能够对水中非甾体类消炎药（NSAIDs）具有高效选择性吸附、光催化降解性能的新型环境功能材料。实验中设计的Zr 基金属有机骨架材料可以实现北京市北运河实际水环境中痕量污染物的快速吸附去除（200 μg/L布洛芬60秒之内实现90 %以上浓度的吸附去除）。同时Fe、Co基金属有机骨架材料可以实现水微量污染物快速芬顿降解。实验采用液质测试和理论计算等方式对实验结论进行了系统的分析并提出了一系列协同去除机制。本研究为新污染的吸附联合催化降解领域新材料的设计提供了有效的理论指导，同时实验中开发设计的高效的吸附和光催化材料具有应用于未来污染物净化技术的潜力。