超大密度存储碘分子的MOF材料

随着科技的发展，核能已成为当下主流的供电来源之一。如何有效地处理核废料也成为研究人员关心的课题之一，一旦核电厂出现事故、泄露，将会对生态和民众造成不可估量的伤害。前一段时间日本的福岛核电站事故为大家敲响了警钟。近日，曼彻斯特大学的杨四海（点击查看介绍）团队开发了一种新型有机金属框架材料（MOF），并对核废料之一的碘进行了系统的吸附研究。结果表明：此类MOF材料MFM-300不仅可以高效移除碘蒸汽，同时碘分子在MOF一维孔道内可进行自聚集而形成一类特殊的三重螺旋碘链结构，大大提高了碘分子在MOF材料中的存储密度，达到固体碘密度的63%，由此表明此类材料是一种优秀的存储碘的介质。

核能在2016年提供了世界总电能的11%，与传统的化学燃料相比，具有超高的能量密度以及更少的污染物（如CO₂）排放。但在铀裂解过程产生能量的同时也伴随着大量放射性副产物生成。碘作为核燃料的裂解产物之一，由于具有高挥发性和长半衰期，相比其他核废料具有更大的危害性。金属有机框架MOF材料拥有大比表面积、高孔隙率和可调控的框架结构，被认为是一类用于碘的吸附理想的多孔固体材料，但由于碘在孔道中的吸附通常呈无序排列，为研究人员研究碘分子与材料、碘分子之间的相互作用力带来了困难。杨四海课题组开发了一类新型的有机金属框架MFM-300(M)（M = Al, Sc, Fe和In）材料用于碘蒸汽的吸附。研究表明，此类材料对碘蒸汽十分稳定，且具有较高和可逆的吸附能力，其中吸附效果最好的是MFM-300(Sc)，吸附量可达到1.54 g碘/每克MOF。

（a）MFM-300的配体及配位情况；（b）MFM-300系列的一维孔道

通过进一步的同步辐射X射线成像、Rietveld以及PDF结构分析，研究人员发现在初始吸附阶段，碘分子与MOF框架之间产生较强的作用力，但随着碘分子不断扩散进入空的孔道中，碘与框架间的作用力逐步弱化，而碘分子之间的作用力逐渐增强。当接近饱和吸附时，碘分子之间自发聚集形成了三重螺旋链状结构，这种特殊的碘链螺旋模型也是首次在原子分辨率下通过实验报道。由于具有特殊的排列结构，碘分子在MOF材料中的充填密度可高达3.08 g/cm³，该数值是常温下固体碘密度的63% (4.93 g/cm³)。

有机金属框架MFM-300系列吸附碘后的状态示意图

（a）碘分子在常温下的排列情况；（b）碘分子在MFM-300 (Sc)孔道中的排列情况；（c）碘分子在MFM-300 (In)孔道中的排列情况；（d）三重螺旋结构的示意图

开发新型多孔固体材料时，如何在强作用力（增加存储密度）和弱作用力（可重复利用性）上进行平衡是工业化生产中很重要的一环。MFM-300系列的材料在两者之间表现出优秀的平衡性，满足理想存储密度的同时也兼顾了可逆性，为将来解决此类问题提供了一个良好的思路。相关工作发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是曼彻斯特大学的博士研究生张欣然。

该论文作者为：Xinran Zhang, Ivan da Silva, Harry G. W. Godfrey, Samantha K. Callear, Sergey A. Sapchenko, Yongqiang Cheng, Inigo Vitórica-Yrezábal, Mark D. Frogley, Gianfelice Cinque, Chiu C. Tang, Carlotta Giacobbe, Catherine Dejoie, Svemir Rudić, Anibal J. Ramirez-Cuesta, Melissa A. Denecke, Sihai Yang and Martin Schröder

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）：

Confinement of Iodine Molecules into Triple-Helical Chains within Robust Metal–Organic Frameworks

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16289, DOI: 10.1021/jacs.7b08748

导师介绍

杨四海

http://www.x-mol.com/university/faculty/47878