原位生长UiO-66的多网络气凝胶：高效吸附双氯芬酸钠及其机制解析

针对传统气凝胶机械性能差和吸附容量低的问题，研究人员通过海藻酸钠(SA)、壳聚糖(CS)和聚乙烯亚胺(PEI)的多网络协同构建，结合原位生长UiO-66，开发出UiO-66@SA/CS/PEI复合气凝胶。该材料对双氯芬酸钠(DCF)的最大吸附量达775.9 mg/L，并通过分子模拟揭示了π-πEDA、Zr-π相互作用等协同吸附机制，为MOF基多网络材料的设计与污染物选择性吸附提供了新思路。

　　

双氯芬酸钠(DCF)作为一种新兴环境污染物，因其在自然水体中的持久性累积和生态毒性备受关注。传统吸附材料如活性炭存在吸附效率低、再生困难等问题，而气凝胶虽具有高孔隙率特性，却因单网络结构的机械稳定性差限制了实际应用。更棘手的是，纯气凝胶仅依赖物理吸附作用，无法通过特异性相互作用靶向捕获污染物分子。与此同时，金属有机框架(MOFs)虽具有超高比表面积，但单独使用时易团聚且难以回收。如何整合两类材料的优势，成为环境功能材料领域的重要挑战。

针对这一科学难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队创新性地提出多网络气凝胶与UiO-66的复合策略。通过海藻酸钠(SA)与Ca²⁺交联形成第一重网络，引入含氨基的壳聚糖(CS)构建第二重网络，再通过聚乙烯亚胺(PEI)的氨基富集形成第三重网络，最终在羟基锚定位点原位生长UiO-66晶体，成功制备出UiO-66@SA/CS/PEI复合气凝胶。该研究通过吸附实验结合分子模拟，系统解析了材料对DCF的吸附机制与结构-性能关系，相关成果发表于《Environmental Research》。

关键技术方法包括：多网络气凝胶的逐层组装技术、UiO-66的原位水热合成、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)表征、吸附动力学与等温线模型拟合，以及基于Materials Studio的分子动力学模拟。

PEI优化
通过调节PEI浓度发现，0.5%(v/v)时吸附量达到峰值。低浓度时PEI通过环氧氯丙烷(ECH)开环反应提供羟基作为UiO-66生长位点，过量PEI反而导致交联过度抑制吸附。

FT-IR分析
红外光谱证实材料成功整合了SA、CS和PEI的特征官能团。吸附后DCF的羧酸根振动峰(1578 cm^-1)消失，证明羧基与Zr⁴⁺的配位作用。

Recyclability study
经过6次再生循环后，吸附容量保持率仍达72.4%，显著优于纯MOF材料，证实多网络结构有效提升了材料稳定性。

Performance comparison
该材料对DCF的吸附容量(775.9 mg/g)是单网络气凝胶的2.6倍，比已报道的活性炭(121.5 mg/g)和ZIF-8(357 mg/g)分别高6.4倍和2.2倍。

研究结论表明，多网络设计通过三重交联显著提升了气凝胶的机械强度，而PEI的氨基修饰与UiO-66的协同作用实现了吸附性能的突破。分子模拟揭示吸附过程涉及五种相互作用：π-π电子供体-受体(EDA)作用、Zr-π相互作用、静电吸引、Zr与DCF中O/Cl的配位作用以及氢键网络。这种"物理限域-化学捕获"的双重机制为理解MOF基复合材料吸附行为提供了新视角。

该研究的创新价值在于：首次将多网络策略应用于MOF/气凝胶复合体系，开发出兼具高吸附容量和优异机械性能的环境功能材料；通过分子模拟与实验表征的深度结合，建立了材料结构-吸附性能的构效关系模型；为复杂环境介质中新兴污染物的定向吸附材料设计提供了理论依据和技术范式。特别值得注意的是，研究中采用的生物质原料(SA、CS)和温和制备工艺，充分体现了绿色化学理念在环境治理领域的实践价值。