Angew. Chem. :通过弱分子间作用力有效去除放射性碘甲烷和极性非质子有机物的弹性聚硫酸酯网络

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核工业产生的放射性碘甲烷(CH3I)废物对环境和人类健康构成风险,有效捕获碘甲烷及其蒸气是一个巨大的挑战。近年来,吸附技术因其操作简单、能耗低、可循环利用等优点,已被广泛应用于碘甲烷蒸气的处理。目前的报道主要有银改性沸石为代表的无机吸附材料和以金属有机框架(MOFs)、多孔有机聚合物(POPs)和共价有机框架(COFs)为代表的吸附材料。这些吸附材料虽为吸附碘甲烷提供较大的比表面积和丰富的转化位点(碘甲烷可被转化成盐),但其复杂的制备方法和有限的吸附转化能力仍然限制了应用。更重要的是这种反应性吸附只能一次性使用,难以用于碘甲烷的持久性捕捉和高附加值转化。



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图1 三维弹性交联聚硫酸酯的制备及其在捕捉放射性碘甲烷和极性非质子溶剂中的应用示意图

近日,苏州大学路建美教授课题组采用室温一步硫氟交换(SuFEx)点击反应首次制备弹性(柔性)聚硫酸酯交联三维网络吸附材料。该吸附材料因其柔性结构可以吸附自身10.51倍质量的吡啶形成稳定的膨胀弹性体,用作吡啶和碘甲烷的反应器。相比于传统有机溶剂参与的反应,具有反应迅速、产率高、循环性好以及环境友好(由于吡啶被吸附在三维网络中,避免了吡啶的刺激性气味挥发而污染环境)的优点。固定于三维网络中的吡啶与碘甲烷反应成盐后,吡啶盐不为网络吸附,而被迅速排出,只需经过简单水洗即可实现材料再生,可循环利用;更重要的是,吸附吡啶后的三维网络材料实现了对碘甲烷蒸气的持久高效捕捉和转化。相比于其他吸附材料,该吸附材料不仅具有目前报道最高的碘甲烷蒸气吸附倍率(1.573 g g−1),吸附后的碘甲烷还可以原位转化为高附加值的吡啶盐,三维网络材料可循环使用。

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图2 聚硫酸酯在碘甲烷捕捉和转化中的应用及其理论计算结果验证

除吡啶外,该三维网络材料表现出有趣的有机物选择性吸附性能。对极性非质子有机分子(如N, N-二甲基甲酰胺,二甲亚砜等)及其有机蒸气中均表现出良好的吸附膨胀性能,吸附倍率最高可达自身质量的22倍;但对非极性有机分子(例如正己烷)和强极性的质子型有机分子(例如甲醇,乙醇)中几乎不吸附。分子动力学模拟与实验验证表明,聚合物网络和有机分子间的静电力(硫酸酯桥与溶剂的极性基团)和范德华力(次甲基与溶剂的烷基)的协同作用促进了溶剂的选择性吸附。这项工作不仅为放射性碘甲烷的捕获和转化提供了新的策略,而且在分子水平上建立了三维网络吸附材料对溶剂选择性吸附的新机制。 

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图3 聚硫酸酯对不同极性有机分子的吸附及其分子动力学模拟分析

文信息

SuFEx-Enabled Elastic Polysulfates for Efficient Removal of Radioactive Iodomethane and Polar Aprotic Organics through Weak Intermolecular Forces

Haibo Wan,Qingfeng Xu,Jiacheng Wu,Cheng Lian,Honglai Liu,Bing Zhang,Jinghui He,Dongyun Chen,Jianmei Lu


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202208577




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