基于Ce-NH?-BDC/HKUST-1的二元金属-有机框架，能够高效吸附亚甲蓝

《Journal of Molecular Liquids》：Ce-NH 2-BDC/HKUST-1-based binary metal–organic frameworks enabling efficient adsorption of methylene blue

本文合成了Ce-NH2-BDC/HKUST-1双金属有机框架材料CCB-MOF，用于高效去除水体中的甲基蓝染料。实验表明，该材料在pH 7、60分钟接触时间和室温下实现98%的染料去除效率，吸附容量达172.41 mg/g。Langmuir等温线和伪二级动力学模型拟合效果良好，吸附机制主要为静电作用。研究为双金属MOF吸附剂的开发提供了新思路。

　　近年来，随着工业化的迅速发展，水体污染问题日益严重，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。特别是在纺织、造纸、橡胶、制革、印刷和石油精炼等行业中，合成染料如甲基蓝（MB）、孔雀绿、罗丹明B和甲基橙等被广泛使用。这些染料在水体中大量积累，不仅影响水质，还对水生生物和依赖水生生态系统生存的其他生物，包括人类，造成严重影响。因此，开发高效、环保的染料去除方法成为当前研究的重要方向。

在众多去除染料的方法中，吸附法因其成本低廉、操作简便和在低浓度溶液中仍能保持高效率而受到广泛关注。吸附材料的选择对于去除效率至关重要，其中多孔材料如沸石、金属-有机框架（MOFs）、活性炭和聚合物材料因其独特的结构和化学稳定性被广泛应用于染料吸附。MOFs作为一类新型的多孔材料，因其高比表面积、可调节的孔隙结构、潜在的结合位点和多样的化学功能而被认为是一种极具前景的吸附材料。MOFs是由金属中心和有机连接体通过共价键连接形成的三维多孔晶体结构，其结构的多样性使得其在多种应用中表现出色，包括染料吸附、二氧化碳捕获、氢气生产以及催化反应等。

然而，单一金属基MOFs在某些应用中存在局限性，例如在湿环境中结构稳定性较差，这限制了其在实际废水处理中的应用。为了克服这一问题，研究者们开始探索二元金属-有机框架（BMOFs）作为新型吸附材料的潜力。BMOFs可以通过两种金属的协同作用，增强材料的吸附性能和结构稳定性。在BMOFs中，第二金属可以部分替代MOF网络中的金属，或者参与形成次级MOF结构。这种结构的优化使得BMOFs在吸附有机芳香污染物（如阳离子和阴离子染料）方面表现出更高的效率。

本研究聚焦于一种基于Ce-NH?-BDC/HKUST-1的二元MOFs材料，命名为CCB-MOF。该材料通过水热法合成，使用了不同的有机连接体，如1,3,5-苯三甲酸（H?BTC或BTC）和2-氨基对苯二甲酸（H?BDC-NH?或ABDC）。通过这一合成方法，CCB-MOF展现出良好的结构稳定性和吸附性能。为了评估其在废水处理中的应用潜力，本研究以甲基蓝（MB）作为模型染料，研究了CCB-MOF的吸附能力。实验结果表明，在中性pH条件下，CCB-MOF能够达到高达172.41 mg/g的吸附容量，并实现约98%的染料去除效率。此外，吸附数据符合线性Langmuir吸附等温模型，而吸附动力学则符合伪二级动力学模型，这表明吸附过程主要受到表面结合位点的限制。

CCB-MOF的吸附机制主要依赖于金属节点与染料分子之间的静电相互作用。Ce离子的可变氧化态和其在MOF结构中的作用使得材料表面能够形成更多的负电荷，从而增强了对阳离子染料如MB的吸附能力。同时，CCB-MOF的球形形态和层状结构也为其提供了较大的比表面积和更多的吸附位点，进一步提升了吸附效率。此外，实验还表明CCB-MOF具有良好的再生性能，能够多次使用并保持较高的吸附能力，这为其实用化提供了有力支持。

为了进一步验证CCB-MOF的结构和化学特性，本研究采用了多种分析手段。粉末X射线衍射（PXRD）分析表明，CCB-MOF具有良好的结晶性，其衍射峰与模拟的HKUST-1和Ce-NH?-BDC框架一致，证明了材料的结构稳定性。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析则揭示了CCB-MOF的化学结构和功能基团，表明其表面存在丰富的官能团，能够与染料分子发生相互作用。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，CCB-MOF呈现出球形形态，并且Ce-MOF在Cu-MOF表面形成了一层，这种结构特征有助于提高吸附效率和材料的稳定性。

此外，Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析表明，CCB-MOF具有较高的比表面积，达到了52.36 m2/g，这为吸附提供了足够的物理空间。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步确认了CCB-MOF中金属节点和有机连接体的存在，表明其表面具有丰富的化学活性位点。这些分析结果共同证明了CCB-MOF在吸附染料方面的优异性能。

本研究的成果不仅为开发基于CCB-MOF的吸附材料提供了新的思路，也为实现高效、环保的染料去除方法做出了贡献。通过优化材料的结构和化学特性，CCB-MOF能够在较低的成本下实现高效的染料吸附和去除，同时具备良好的再生性能，这使其在实际废水处理中具有广阔的应用前景。未来，进一步的研究可以探索CCB-MOF在其他污染物去除中的应用，以及如何通过改性手段进一步提高其吸附能力和稳定性。此外，还可以研究CCB-MOF在不同环境条件下的表现，以确保其在实际应用中的可靠性和适应性。

CCB-MOF的开发不仅符合当前环保和可持续发展的需求，也为解决水体污染问题提供了新的技术路径。随着对高效吸附材料的需求不断增长，CCB-MOF有望成为一种重要的新型吸附材料，为水处理技术的进步做出贡献。通过深入研究其吸附机制和性能，可以进一步优化材料的设计，提高其在实际应用中的效率和可行性。此外，CCB-MOF的研究还可以拓展到其他领域，如催化反应、传感技术等，为其多用途发展奠定基础。总之，CCB-MOF的开发和应用为解决水体污染问题提供了新的思路和技术支持，具有重要的科学和工程价值。