功能化金属有机骨架材料在放射性离子检测中的应用

doi:10.3866/PKU.DXHX201910053

摘要/Abstract

摘要：

随着化石能源的短缺和环境污染的日益加剧，核能由于具有高能量密度和低污染排放的特点而受到青睐。然而，产生的放射性核废料仍会对人类健康和环境产生严重危害，因此对其安全有效的处置仍是这一领域的重要问题。金属-有机骨架（MOFs）是一种新型多功能分子基材料，由金属离子或者金属簇与多齿有机配体通过配位键连接自组装而成的具有周期性的网格结构。MOFs材料具有许多优于传统多孔材料的特性，使得MOFs材料在对放射性离子的吸附与检测中展现出了广阔的应用前景。本文综述了近年来关于MOFs材料功能化修饰的策略，以及基于MOFs对放射性离子的吸附和传感的研究进展，并对其今后的发展前景进行了总结和展望。

关键词: 金属-有机骨架材料, 放射性离子, 功能化, 荧光传感, 吸附

Abstract:

With the shortage of fossil energy and increasing environmental pollution, nuclear energy has received extensive attention by its virtue of high energy density and low emission of greenhouse gases. However, radioactive nuclear waste remains a serious task for its safe and effective disposal due to their harmful effects on human health and the environment. As a new type of multifunctional nanomaterial, metal-organic frameworks (MOFs) are synthesized via the self-assembling combination of inorganic metals and organic ligands. Compared with traditional porous materials, MOFs have broad application prospects in the adsorption and detection of radioactive ions. In this paper, we reviewed the functional modification strategies of MOFs and summarized the progress in the applications of functionalized MOFs in removal and fluorescence sensing of contaminated ions in recent years. Besides, the future development trends are also discussed.

Key words: Metal-organic frameworks, Radioactive ions, Functionalization, Fluorescence sensing, Absorption

MSC2000:

魏伟, 夏炎. 功能化金属有机骨架材料在放射性离子检测中的应用[J]. 大学化学, 2020, 35(12): 192-200.

Wei Wei, Yan Xia. Application of Functionalized Metal-Organic Frameworks in Radioactive Ions Detection[J]. University Chemistry, 2020, 35(12): 192-200.

图/表 6

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参考文献 69

1	Zinkle S. J. ; Was G. S. Acta Mater. 2013, 61, 735. doi: 10.1016/j.actamat.2012.11.004
2	Petrescu F. I. T. ; Apicella A. ; Petrescu R. V. V. ; Kozaitis S. P. ; Bucinell R. B. ; Aversa R. ; Abu-Lebdeh T. M. Am. J. Appl. Sci. 2016, 13, 941. doi: 10.3844/ajassp.2016.941.946
3	Zou Y. ; Wang X. ; Khan A. ; Wang P. ; Liu Y. ; Alsaedi A. ; Hayat T. ; Wang X. Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 7290. doi: 10.1021/acs.est.6b01897
4	朱琳.新型阳离子骨架材料高效去除放射性阴离子污染物及其机理研究[D].苏州:苏州大学, 2018.
5	Li J. ; Fan Q. ; Wu Y. ; Wang X. ; Chen C. ; Tang Z. ; Wang X. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 1737. doi: 10.1039/C5TA09132B
6	Yang S. ; Sheng G. ; Tan X. ; Hu J. ; Du J. ; Montavon G. ; Wang X. Geochim. Cosmochim. Acta 2011, 75, 6520. doi: 10.1016/j.gca.2011.08.024
7	Li J. ; Zhang S. ; Chen C. ; Zhao G. ; Yang X. ; Li J. ; Wang X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 4991. doi: 10.1021/am301358b
8	Zhao G. ; Li J. ; Ren X. ; Chen C. ; Wang X. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 10454. doi: 10.1021/es203439v
9	Ewing R. C. Nat. Mater. 2015, 14, 252. doi: 10.1038/nmat4226
10	Li J. ; Chen C. ; Zhao Y. ; Hu J. ; Shao D. ; Wang X. Chem. Eng. J. 2013, 229, 296. doi: 10.1016/j.cej.2013.06.016
11	Li J. ; Zhang S. ; Chen C. ; Zhao G. ; Yang X. ; Li J. ; Wang X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 4991. doi: 10.1021/am301358b
12	Naja, G. M.; Volesky, B. Toxicity and Sources of Pb, Cd, Hg, Cr, As, and Radionuclides in the Environment. In Heavy Metals in the Environment; Wang, L. K.; Chen, J. P.; Hung, Y. T.; Shammas, N. K. Eds.; Taylor & Francis Group: Boca Raton, USA, 2009; pp. 13-61.
13	Li J. R. ; Sculley J. ; Zhou H. C. Chem. Rev. 2012, 112, 869. doi: 10.1021/cr200190s
14	Canivet J. ; Fateeva A. ; Guo Y. ; Coasne B. ; Farrusseng D. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5594. doi: 10.1039/C4CS00078A
15	Furukawa H. ; Cordova K. E. ; O'Keeffe M. ; Yaghi O. M. Science 2013, 341, 1230444. doi: 10.1126/science.1230444
16	Koh K. ; Wong-Foy A. G. ; Matzger A. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4184. doi: 10.1021/ja809985t
17	Kitagawa S. ; Kitaura R. ; Noro S. I. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 2334. doi: 10.1002/anie.200300610
18	Devic T. ; Horcajada P. ; Serre C. ; Salles F. ; Maurin G. ; Moulin B. ; Heurtaux D. ; Clet G. ; Vimont A. ; Greneche J. M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 132, 1127.
19	Cui Y. ; Yue Y. ; Qian G. ; Chen B. Chem. Rev. 2011, 112, 1126.
20	Gándara F. ; Furukawa H. ; Lee S. ; Yaghi O. M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5271. doi: 10.1021/ja501606h
21	Ahmed I. ; Jhung S. H. J. Hazard. Mater. 2016, 301, 259. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.045
22	Zhang H. ; Li G. ; Zhang K. ; Liao C. Acta Chim. Sin. 2017, 75, 841. doi: 10.6023/A17040168
23	Zhang W. ; Xiong R. G. Chem. Rev. 2012, 112, 1163. doi: 10.1021/cr200174w
24	Zhang T. ; Lin W. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5982. doi: 10.1039/C4CS00103F
25	Cunha D. ; Gaudin C. ; Colinet I. ; Horcajada P. ; Maurin G. ; Serre C. J. Mater. Chem. B 2013, 1, 1101. doi: 10.1039/c2tb00366j
26	Li J. ; Wang X. ; Zhao G. ; Chen C. ; Chai Z. ; Alsaedi A. ; Hayat T. ; Wang X. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 2322. doi: 10.1039/C7CS00543A
27	Zhang J. ; Chen L. ; Dai X. ; Zhu L. ; Xiao C. ; Xu L. ; Zhang Z. ; Alekseev E. V. ; Wang Y. ; Zhang C. ; et al Chem 2019, 5, 977. doi: 10.1016/j.chempr.2019.02.011
28	Zhang L. ; Wang L. L. ; Le Gong L. ; Feng X. F. ; Luo M. B. ; Luo F. J. Hazard. Mater. 2016, 311, 30. doi: 10.1016/j.jhazmat.2016.01.082
29	Ying Y. ; Pourrahimi A. M. ; Sofer Z. ; Matějková S. ; Pumera M. ACS Nano 2019, 13, 11477. doi: 10.1021/acsnano.9b04960
30	Bai Z. Q. ; Yuan L. Y. ; Zhu L. ; Liu Z. R. ; Chu S. Q. ; Zheng L. R. ; Zhang J. ; Chai Z. F. ; Shi W. Q. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 525. doi: 10.1039/C4TA04878D
31	Sheng D. ; Zhu L. ; Xu C. ; Xiao C. ; Wang Y. ; Wang Y. ; Chen L. ; Diwu J. ; Chen J. ; Chai Z. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 3471. doi: 10.1021/acs.est.7b00339
32	Li J. ; Dai X. ; Zhu L. ; Xu C. ; Zhang D. ; Silver M. A. ; Li P. ; Chen L. ; Li Y. ; Zuo D. Nat. Commun. 2018, 9, 3007. doi: 10.1038/s41467-018-05380-5
33	Fei H. ; Rogow D. L. ; Oliver S. R. J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7202. doi: 10.1021/ja102134c
34	Banerjee D. ; Xu W. ; Nie Z. ; Johnson L. E. V. ; Coghlan C. ; Sushko M. L. ; Kim D. ; Schweiger M. J. ; Kruger A. A. ; Doonan C. J. ; et al Inorg. Chem. 2016, 55, 8241. doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b01004
35	Zhu L. ; Xiao C. ; Dai X. ; Li J. ; Gui D. ; Sheng D. ; Chen L. ; Zhou R. ; Chai Z. ; Albrecht-Schmitt T. E. ; et al Environ. Sci. Technol. Lett. 2017, 4, 316. doi: 10.1021/acs.estlett.7b00165
36	Zhu L. ; Sheng D. ; Xu C. ; Dai X. ; Silver M. A. ; Li J. ; Li P. ; Wang Y. ; Wang Y. ; Chen L. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14873. doi: 10.1021/jacs.7b08632
37	Desai A. V. ; Sharma S. ; Roy A. ; Ghosh S. K. Cryst. Growth Des. 2019, 19, 7046. doi: 10.1021/acs.cgd.9b00873
38	Wang S. ; Alekseev E. V. ; Diwu J. ; Casey W. H. ; Phillips B. L. ; Depmeier W. ; Albrecht-Schmitt T. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1057. doi: 10.1002/anie.200906397
39	Peng Y. ; Huang H. ; Liu D. ; Zhong C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 8527. doi: 10.1021/acsami.6b00900
40	Naeimi S. ; Faghihian H. Sep. Purif. Technol. 2017, 175, 255. doi: 10.1016/j.seppur.2016.11.028
41	Wang Y. ; Liu Z. ; Li Y. ; Bai Z. ; Liu W. ; Wang Y. ; Xu X. ; Xiao C. ; Sheng D. ; Diwu J. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6144. doi: 10.1021/jacs.5b02480
42	Li J. H. ; Yang L. X. ; Li J. Q. ; Yin W. H. ; Tao Y. ; Wu H. Q. ; Luo F. J. Solid State Chem. 2019, 269, 16. doi: 10.1016/j.jssc.2018.09.013
43	Yu Q. ; Yuan Y. ; Wen J. ; Zhao X. ; Zhao S. ; Wang D. ; Li C. ; Wang X. ; Wang N. Adv. Sci. 2019, 6, 1900002. doi: 10.1002/advs.201900002
44	Liu J. ; Yin X. ; Liu T. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2019, 95, 416. doi: 10.1016/j.jtice.2018.08.012
45	Liu R. ; Wang Z. Q. ; Liu Q. Y. ; Luo F. ; Wang Y. L. Eur. J. Inorg. Chem. 2019, 735.
46	Yuan G. ; Tian Y. ; Li M. ; Zeng Y. ; Tu H. ; Liao J. ; Yang J. ; Yang Y. ; Liu N. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2019, 322, 827. doi: 10.1007/s10967-019-06764-7
47	Yuan G. ; Tian Y. ; Liu J. ; Tu H. ; Liao J. ; Yang J. ; Yang Y. ; Wang D. ; Liu N. Chem. Eng. J. 2017, 326, 691. doi: 10.1016/j.cej.2017.06.024
48	Wang Y. ; Li Y. ; Bai Z. ; Xiao C. ; Liu Z. ; Liu W. ; Chen L. ; He W. ; Diwu J. ; Chai Z. ; et al Dalton Trans. 2015, 44, 18810. doi: 10.1039/C5DT02337H
49	Zhang N. ; Yuan L. Y. ; Guo W. L. ; Luo S. Z. ; Chai Z. F. ; Shi W. Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 25216. doi: 10.1021/acsami.7b04192
50	Falaise C. ; Volkringer C. ; Giovine R. ; Prelot B. ; Huve M. ; Loiseau T. Dalton Trans. 2017, 46, 1. doi: 10.1039/C7DT90001E
51	Guo X. G. ; Qiu S. ; Chen X. ; Gong Y. ; Sun X. Inorg. Chem. 2017, 56, 12357. doi: 10.1021/acs.inorgchem.7b01835
52	Mu W. ; Du S. ; Li X. ; Yu Q. ; Hu R. ; Wei H. ; Yang Y. ; Peng S. Dalton Trans. 2019, 48, 3284. doi: 10.1039/C9DT00434C
53	Zha M. ; Liu J. ; Wong Y. L. ; Xu Z. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 3928. doi: 10.1039/C4TA06678B
54	Mei L. ; Liu K. ; Wu S. ; Kong X. H. ; Hu K. Q. ; Yu J. P. ; Nie C. M. ; Chai Z. F. ; Shi W. Q. Chem. Eur. J. 2019, 25, 10309. doi: 10.1002/chem.201902180
55	Zhang H. ; Xue J. ; Hu N. ; Sun J. ; Ding D. ; Wang Y. ; Li L. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2016, 308, 865. doi: 10.1007/s10967-015-4603-6
56	Zhang Y. ; Yuan S. ; Day G. ; Wang X. ; Yang X. ; Zhou H. C. Coord. Chem. Rev. 2018, 354, 28. doi: 10.1016/j.ccr.2017.06.007
57	Wang J. ; Chen H. ; Ru F. ; Zhang Z. ; Mao X. ; Shan D. ; Chen J. ; Lu X. Chem.-Eur. J. 2018, 24, 3499. doi: 10.1002/chem.201704557
58	Cui Y. ; Zhang J. ; He H. ; Qian G. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 5740. doi: 10.1039/C7CS00879A
59	Yan B. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 2789. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00387
60	Jin S. ; Son H. J. ; Farha O. K. ; Wiederrecht G. P. ; Hupp J. T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 955. doi: 10.1021/ja3097114
61	冯丹; 隗翠香; 夏炎. 色谱, 2017, 35 (3)
62	Cui Y. ; Song R. ; Yu J. ; Liu M. ; Wang Z. ; Wu C. ; Yang Y. ; Wang Z. ; Chen B. ; Qian G. Adv. Mater. 2015, 27, 1420. doi: 10.1002/adma.201404700
63	Rapti S. ; Diamantis S. A. ; Dafnomili A. ; Pournara A. ; Skliri E. ; Armatas G. S. ; Tsipis A. C. ; Spanopoulos I. ; Malliakas C. D. ; Kanatzidis M. G. ; et al J. Mater. Chem. A 2018, 6, 20813. doi: 10.1039/C8TA07901C
64	Chen W. M. ; Meng X. L. ; Zhuang G. L. ; Wang Z. ; Kurmoo M. ; Zhao Q. Q. ; Wang X. P. ; Shan B. ; Tung C. H. ; Sun D. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 13079. doi: 10.1039/C7TA01546A
65	Hou J. X. ; Gao J. P. ; Liu J. ; Jing X. ; Li L. J. ; Du J. L. Dyes Pigment. 2019, 160, 159. doi: 10.1016/j.dyepig.2018.08.012
66	Liu W. ; Dai X. ; Bai Z. ; Wang Y. ; Yang Z. ; Zhang L. ; Xu L. ; Chen L. ; Li Y. ; Gui D. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 3911. doi: 10.1021/acs.est.6b06305
67	Du N. ; Song J. ; Li S. ; Chi Y. X. ; Bai F. Y. ; Xing Y. H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 28718. doi: 10.1021/acsami.6b09456
68	Song L. ; Liu W. ; Wang Y. ; Chen L. ; Wang X. F. ; Wang S. CrystEngComm 2019, 21, 3471. doi: 10.1039/C9CE00241C
69	Gao X. ; Zhao H. ; Zhao X. ; Li Z. ; Gao Z. ; Wang Y. ; Huang H. Sens. Actuator B-Chem. 2018, 266, 323. doi: 10.1016/j.snb.2018.03.139

Targets	MOF-based materials	Adsorption capacity/(mg?g^?1)	Equilibrium time	Mechanism	Ref.
ReO₄^?	SCU-100	541	2 h	Ion-exchange	[31]
ReO₄^?	SLUG-21	602	－	Ion-exchange	[33]
ReO₄^?	UiO-66-NH2	159	24 h	Ion-exchange	[34]
ReO₄^?	SBN	786	2 h	Ion-exchange	[35]
ReO₄^?	SCU-101	217	10 min	Ion-exchange	[36]
ReO₄^?	IPM-206	195	－	Ion-exchange	[37]
TcO₄^?	NDTB-1	－	> 36 h	Ion-exchange	[38]
Ba²⁺	MOF-808-SO₄	131.1	< 250 min	Binding with sulfate group	[39]
Ba²⁺	MIL-101Cr-SO₃H	70.5	< 250 min	Chelate with sulfonic group	[39]
Cs⁺	MOF/KNiFC	153	45 min	Ion-exchange chemisorption	[40]
Cs⁺	3D uranyl organic framework	432	20 min	Ion-exchange	[41]
U⁴⁺	nZVI@MOF-74	348	2 h	Electrostatic interaction	[42]
U⁴⁺	UiO-66-neomycin	296	12 h	Interaction with anti-biofouling	[43]
U⁴⁺	UiO-66-AO	194.8	13 h	Electrostatic interaction	[44]
U⁴⁺	JXNU-4	121.2	35 min	Coordination	[45]
Co²⁺	UiO-66-COOCH₃	334.4	24 h	Coordination	[46]
Co²⁺	UiO-66-CONH₂	339.7	24 h	Coordination	[46]
Co²⁺	UiO-66-Schiff base	256	5 h	Coordination	[47]
Th⁴⁺	SCU-3	－	－	Coordination ion-exchange	[48]
Th⁴⁺	UiO-66-(COOH)₂	350	30 min	Coordination	[49]
Th⁴⁺	MIL-100(Al)	167	15 min	Chemisorption	[50]
Th⁴⁺	DMn-MOF	46.3	－	－	[51]
Sr²⁺	MOF-808-C₂O₄	206.3	120 min	Chemisorption	[52]
Pd²⁺	ASUiO-66	45.4	－	Acting with sulfur and alkene	[53]
Eu³⁺	azofunctionalized anionic UOF	－	120 min	Ion-exchange	[54]
Eu³⁺	HKUST-1@H₃PW₁₂O₄₀	14.58	120 min	Coordination with ligands	[55]

[1]	边绍伟. 亚甲基蓝在介孔二氧化硅MCM-41表面的吸附性能研究——介绍一个物理化学综合实验[J]. 大学化学, 2020, 35(9): 70-75.
[2]	那立艳, 张丽影, 支德福, 张树彪. 利用物理化学基本原理甄别科技文献数据计算的合理性[J]. 大学化学, 2020, 35(9): 159-163.
[3]	何田, 尹守春, 李博. SAB-16型介孔材料的制备、表征及表面改性——介绍一个材料化学综合实验[J]. 大学化学, 2020, 35(9): 126-131.
[4]	张晓丽, 关新新, 李朝辉, 郑修成. ZnO-g-C₃N₄多孔Z型异质结的合成及净化有机废水性能研究——推荐一个大学化学综合性实验[J]. 大学化学, 2020, 35(9): 152-158.
[5]	秦雨欣, 林天然, 李金莹, 覃思媛, 侯丽. 一种基于智能手机可视化多色荧光检测碱性磷酸酶活性的方法——推荐一个本科生科研训练项目[J]. 大学化学, 2020, 35(6): 110-116.
[6]	蔡丹丹, 阮长平, 邱建华, 吴丽芸, 张丛, 张羽真. 磁性Co/C纳米复合材料的合成及其对水中刚果红吸附性能研究[J]. 大学化学, 2020, 35(12): 212-220.
[7]	干宁,杨倩. 基于二维MOFs构建MicroRNA荧光传感器的综合分析化学实验及“赛学结合、三位一体评价”的教学模式设计[J]. 大学化学, 2019, 34(6): 38-45.
[8]	李悦,郭东升,阮文娟. 光致发光与荧光传感——光化学基本原理的应用[J]. 大学化学, 2019, 34(4): 45-50.
[9]	乔正平,尹明大,许先芳,黄华珍,闫素君,彭慧娟,毛宗万. 一种金属有机框架纳米材料的制备及其染料吸附性能研究——推荐一个研究型综合化学实验[J]. 大学化学, 2018, 33(9): 75-81.
[10]	边绍伟,张帅,咸春颖,沈丽,赵亚萍,张健. 固体比表面积测定实验的改进[J]. 大学化学, 2018, 33(12): 62-66.
[11]	许新华,吴梅芬,王晓岗. 溶液表面吸附实验的再讨论[J]. 大学化学, 2018, 33(10): 91-96.
[12]	陈小娟,张伟庆,余小岚,李瑞英,陈六平. 适用于本科教学的BET比表面测定实验[J]. 大学化学, 2017, 32(7): 60-67.
[13]	吕秋丰,谢琼琳,曹静. 聚苯胺-木质素磺酸复合物的合成及其染料吸附性能——介绍一个综合性研究型实验[J]. 大学化学, 2017, 32(3): 49-54.
[14]	安万凯,吴璐璐,金秋,史力军,潘振良. 傅克烷基化反应在超高交联聚合物中的应用[J]. 大学化学, 2017, 32(12): 1-11.
[15]	孔令然,张树永. 碳氧化反应速率常数与温度特殊关系的理论解释[J]. 大学化学, 2016, 31(10): 84-88.