通过质子化调控的分子开关，实现超快可再生的双胍类化合物-COF，从而持续去除普萘洛尔

《Separation and Purification Technology》：Protonation-gated molecular switch enabling ultrafast-regenerable biguanide-COF for sustained propranolol removal

pH响应吸附与再生机制研究：芳香biguanide功能化COF材料高效去除普萘洛尔及其再生动力学分析|

　　这项研究聚焦于如何有效去除水环境中新兴的有机污染物，特别是β受体阻滞剂类药物——普萘洛尔（propranolol）。普萘洛尔作为一种广泛使用的β受体阻滞剂，因其化学稳定性、环境持久性以及可能在水生食物链中生物放大等特性，成为水处理领域的重要挑战之一。近年来，普萘洛尔在自然水体中的检测频率不断增加，其浓度范围通常在数十至数百纳克每升（ng·L?1）之间，甚至在某些情况下超过其预测无影响浓度。这种污染物的长期存在不仅对水生态系统造成多重生物累积，还可能引发一系列生态毒理效应，进一步威胁生物多样性。值得注意的是，非抗生素类药物如普萘洛尔在环境低浓度条件下，还可能促进抗药性基因的水平转移，从而加剧抗生素耐药性问题。因此，针对普萘洛尔的高效去除技术显得尤为必要。

传统的水处理技术，如光催化、膜分离和高级氧化工艺等，已被广泛应用于去除普萘洛尔及其他药物污染物。然而，这些方法往往存在操作复杂、成本高昂或对环境影响较大的问题。相比之下，吸附法因其操作简便、效率高和经济性好，成为一种极具潜力的选择。其中，共价有机框架（COFs）作为一种由有机单元通过强共价键构建的晶态多孔材料，因其高比表面积、可调节的孔径和丰富的功能基团，展现出显著的吸附性能。尽管已有大量研究致力于提升COFs的吸附能力，但其在实际应用中仍面临一个重要障碍——吸附饱和后的再生问题。目前，COFs的再生主要依赖于高温处理或有机溶剂清洗，这些方法不仅消耗大量能源，还可能导致材料结构不可逆坍塌、功能基团降解以及经济和环境成本增加。因此，开发一种温和、高效且可持续的再生策略，是推动COFs吸附材料广泛应用的关键。

在本研究中，科学家们设计并合成了一种具有动态质子响应界面的芳香族双胍基功能化COF材料，即Aryl-BIG-COF。这种材料通过引入双胍基团，显著增强了其质子化调控能力和亲水性，从而实现了对普萘洛尔的高效吸附与快速再生。双胍基团的引入不仅赋予COF材料对目标污染物的高选择性识别能力，还通过其pH依赖的质子化行为，使得吸附材料能够在不同pH条件下动态调整吸附行为。这种pH响应性机制使得吸附材料在吸附饱和后能够实现快速再生，其再生速率比传统的吸附过程快36倍。此外，该材料在五次连续的吸附-再生循环后仍能保持超过90%的初始吸附效率，显示出良好的循环稳定性和抗干扰能力。

在实际应用中，该材料在多种复杂水样中表现出优异的性能，包括地表水、生活污水和二级处理出水。其在不同普萘洛尔浓度下的吸附和再生效果均较为稳定，显示出较强的环境适应性。为了评估该材料对环境的潜在影响，研究者还进行了毒性测试，采用发光菌（Vibrio fischeri）作为生物指示剂，结果表明芳香族双胍基修饰显著降低了材料的潜在毒性。这一发现不仅证实了Aryl-BIG-COF在吸附性能上的优势，还表明其在环境友好性方面的潜力。

从材料设计的角度来看，芳香族双胍基的引入使得COF材料具备了智能响应的特性。这种智能响应机制不仅能够根据环境pH值的变化动态调整吸附行为，还能通过可逆的氢键和π-π相互作用，实现材料的高效再生。在分子层面，研究者利用分子动力学（MD）模拟技术，深入解析了Aryl-BIG-COF在不同pH条件下的吸附-再生机制，揭示了其在吸附和再生过程中多相互作用力的动态变化。这种研究方法不仅有助于理解芳香族双胍基如何影响COF材料的吸附性能，还为设计具有智能响应能力的吸附材料提供了理论支持。

研究团队还通过实验方法验证了Aryl-BIG-COF在复杂水样中的性能表现。实验结果显示，该材料在不同水质条件下均能保持较高的吸附能力和再生效率，显示出良好的环境适应性和实用性。此外，该材料在不同浓度的普萘洛尔溶液中的吸附行为也具有显著的pH依赖性，进一步表明其在实际应用中的灵活性和可控性。这些实验结果不仅为Aryl-BIG-COF的性能评估提供了重要依据，还为其在实际水处理工程中的应用奠定了基础。

从研究方法的角度来看，本研究采用了多学科交叉的手段，结合实验与理论分析，全面评估了Aryl-BIG-COF的性能。通过实验方法，研究者能够直接观察和测量材料在不同条件下的吸附和再生行为，而通过理论分析，特别是分子动力学模拟，能够从分子层面揭示吸附-再生过程中的动态机制。这种研究方法不仅有助于深入理解材料的吸附行为，还为优化材料设计提供了科学依据。此外，研究者还采用了多种分析手段，包括能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）等，以确认芳香族双胍基成功引入COF框架，并对其结构和化学特性进行了详细表征。

在材料性能评估方面，研究团队不仅关注吸附能力，还特别重视材料的再生性能和环境友好性。通过实验验证，Aryl-BIG-COF在多次吸附-再生循环后仍能保持较高的吸附效率，显示出良好的循环稳定性。同时，该材料在不同水样中的抗干扰能力也得到了充分验证，表明其在复杂水环境中的适应性。此外，研究者还对材料的潜在毒性进行了评估，结果显示其对环境的负面影响较小，符合绿色化学的发展趋势。这些性能评估结果不仅为Aryl-BIG-COF的开发提供了重要依据，还为其在实际水处理工程中的应用提供了科学支持。

从实际应用的角度来看，Aryl-BIG-COF的开发为水处理技术提供了一种新的思路。传统的COFs材料由于其固有的疏水性和缺乏特定的结合位点，难以实现对污染物的高效选择性吸附和响应性再生。而通过引入芳香族双胍基团，Aryl-BIG-COF不仅能够实现对普萘洛尔的高效吸附，还能够在吸附饱和后通过pH调节实现快速再生。这种再生机制不仅减少了对高温或有机溶剂的依赖，还显著降低了再生过程中的能源消耗和环境成本。此外，该材料在多种复杂水样中的应用效果也表明其在实际水处理中的广泛适用性。

综上所述，本研究通过设计和合成一种具有动态质子响应界面的芳香族双胍基功能化COF材料，为水环境中有机污染物的去除提供了一种新的解决方案。该材料不仅在吸附性能上表现出色，还能够在吸附饱和后通过pH调节实现高效再生，显示出良好的循环稳定性和环境适应性。同时，该材料在不同水样中的应用效果也表明其在实际水处理中的广泛适用性。此外，研究团队通过多种分析手段对材料的结构和化学特性进行了详细表征，为材料的进一步优化和应用提供了科学依据。这项研究不仅为COFs材料的开发提供了新的思路，还为水处理技术的发展做出了重要贡献。