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仿生钯纳米螯合器的设计

铂系金属因其特殊的催化性能、强的抗腐蚀性以及高熔点等特性,在生产和生活中有着不可替代的作用。但是这些金属在地表上的含量非常稀少,而且分布不均,发展对这些金属的回收技术势在必行。


吸附材料的革新是解决这个难题的关键。多孔有机聚合物因其优异的稳定性、分子层面的可设计性以及多样的拓扑结构,为设计高性能吸附材料提供了新契机。近日,美国南佛罗里达大学马胜前教授(点击查看介绍)课题组,利用多孔有机聚合物分子层面可剪裁的特点并借鉴仿生理念,通过调控螯合位点次级环境,实现了对钯的高效选择性萃取。许多生物分子虽然由简单的氨基酸组成,但对特定金属可以表现出飞摩尔(femtomolar, 10-12 mol L-1)水平的亲和力。在这过程中,螯合位点周围的氨基酸所提供的弱相互作用(如氢键等)起了至关重要的作用。尽管这些作用力较弱,但是作为一个整体就有着非比寻常的影响。为此,马胜前教授团队通过在分子层面上探索次级作用对直接作用位点与目标物质结合力的影响,调控螯合中心次级环境,设计新型骨架基元,提升材料吸附量和吸附选择性。该方法通过引入弱相互作用,增强已规模化生产的功能中心的性能,而传统设计理念,通常通过设计复杂配体来增强对目标物质的识别能力,这为设计高性能吸附材料提供了新思路(图1)。

图1. Schematic illustration of the introduction of secondary sphere modifiers to reinforce the primary binding.


通过骨架基元设计,在螯合基团吡啶邻位引入氢键给体——氨基,发现辅助基团氨基虽然不参与配位但提供的给电子作用和氢键作用对晶体结构的稳定作用有极大的促进。Pd吸附结果显示,辅基氨基的引入对提升吡啶对Pd的络合能力有显著的效果,能从Pd2+、Fe2+、Zn2+、Pb2+、Ni2+和Cd2+的混合溶液中选择性提取Pd2+至1 ppb以下,比仅含吡啶的材料降低2个数量级以上。由于高的螯合基团浓度、大比表面以及多级孔道结构,这个材料表现出大的吸附量,最高可达752 mg/g(为目前报道的最高值)和快的吸附速率,能在10 min内使水中的Pd的含量降到0.1 ppb,从而显示了其在铂系金属回收上的应用前景。

图2. Schematic illustration of Pd2+ selectivity over other common ions for POP-oNH2-Py.


这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是美国南佛罗里达大学博士研究生Briana Aguila(现为Francis Marion University化学系的助理教授)。孙琦研究员和马胜前教授为本文的通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Porous Organic Polymer Nanotrap for Efficient Extraction of Palladium

Briana Aguila, Qi Sun*, Harper C. Cassady, Chuan Shan, Zhiqiang Liang, Abdullah M. Al-Enizic, Ayman Nafadyc, Joshua T. Wright, Robert W. Meulenberg, Shengqian Ma*

Angew Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202006596


孙琦研究员简介


孙琦,博士,浙江大学“百人计划”研究员。2014年毕业于浙江大学化学系,导师肖丰收教授;2015-2019在美国南佛罗里达大学从事博士后研究,合作导师为马胜前教授;2019年9月入职浙江大学化学工程与生物工程学院联合化学反应工程研究所。主要从事有机多孔聚合物和金属-有机框架材料这两类新兴纳米孔材料的设计合成及其在催化、吸附和分离领域的应用研究。目前以第一作者或通讯作者已在J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.以及Chem等世界知名期刊发表论文40余篇,其中IF>10的论文25篇,引用4000余次,其中12篇ESI高被引论文。热烈欢迎感兴趣的同学保研或报考也欢迎具有功能多孔材料、膜分离材料、光/电催化等一项或以上相关基础的青年才俊加入。


联系方式:sunqichs@zju.edu.cn.


马胜前教授简介


马胜前,南佛罗里达大学化学系教授。2003年毕业于吉林大学取得学士学位,2008年在美国俄亥俄州迈阿密大学取得博士学位,2008年至2010年,他获得美国能源部阿贡国家实验室Director's Postdoctoral Felloship, 2010年起就职于南佛罗里达大学。研究方向领域是面向多孔材料如MOFs, POPs, 和COFs的制备、性能与应用研究。在相关领域发表SCI论文200余篇,包括以通讯作者发表的J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Chem、 Nat. Commun.、Adv. Mater.等。所发论文引用超过21500次,h因子为76,并入选2016-2019年Web of Science 高被引用科学家,2014年和2015年美国汤森路透集团全球高被引用科学家(化学方向)名单(Highly Cited Researcher)。他获得的主要奖项包括:2008年美国化学会无机化学分会青年化学家奖,2008年美国能源部阿贡国家实验室Director's Postdoctoral Fellowship,2009年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)青年化学家奖,2014年美国科学基金会 CAREER Award,和2015年南佛罗里达大学杰出研究成就奖、2018年南佛罗里达大学杰出教授奖。


https://www.x-mol.com/university/faculty/38296


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