羧基功能化共价有机框架材料(LZU-COF-COOH)的理性设计及其对铀酰离子(UO2 2+ )的高效选择性吸附机制研究

针对核废水处理中铀(U(VI))去除的技术难题，研究人员创新性地通过室温静态合成法在LZU-COF骨架中原位引入羧基(-COOH)，开发出具有超快动力学(1小时达平衡)和高吸附容量(136.7 mg·g-1 )的功能化COFs材料。结合实验与密度泛函理论(DFT)计算，揭示了UO2 2+ 与羰基的配位机制，为放射性污染治理提供了新型吸附剂设计范式。

　　

随着全球核能应用的快速发展，放射性污染治理已成为重大环境挑战。其中，铀(U(VI))作为核工业的核心元素，其放射性毒性和环境迁移性对生态系统构成长期威胁。传统吸附材料如活性炭、离子交换树脂等存在选择性差、动力学缓慢等问题，而新兴的多孔材料如金属有机框架(MOFs)又面临水稳定性不足的缺陷。共价有机框架(COFs)因其可设计的孔道结构和化学稳定性被视为理想候选材料，但原始LZU-COF缺乏活性位点且难以直接修饰的特性严重制约了其应用。

针对这一瓶颈，兰州大学的研究团队在《Desalination》发表研究，开创性地提出"结构-功能"协同设计策略。通过室温静态合成法将羧基(-COOH)原位引入LZU-COF骨架，成功制备出LZU-COF-COOH复合材料。该材料不仅保持了原有框架的结晶性，还展现出对UO₂
²⁺
的超快吸附动力学(1小时达平衡)和136.7 mg·g^-1
的高容量，对共存金属离子的选择性系数高达5.3-12.8。

研究采用扫描电子显微镜(SEM)观察材料形貌，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)验证羧基成功嫁接，X射线光电子能谱(XPS)解析铀结合机制。理论计算方面，通过密度泛函理论(DFT)量化了UO₂
²⁺
与羧基的配位几何参数，发现优化后的C=O...U键长缩短至2.35 ?，结合能提升至-235.6 kJ/mol，证实了双齿配位模式的主导作用。

【材料表征】SEM显示功能化后材料表面粗糙度增加(图2a-b)，接触角测试证实亲水性提升。XPS谱图中铀吸附后的O 1s峰位移表明UO₂
²⁺
与羧基氧原子形成配位键(图3c)。

【吸附性能】pH=5时吸附量达到峰值，准二级动力学模型拟合优度(R²

0.99)表明化学吸附主导过程。Langmuir模型计算最大容量为136.7 mg·g^-1
，显著高于原始LZU-COF(82.4 mg·g^-1
)。

【机理阐释】DFT计算揭示UO₂
²⁺
同时与两个羧基氧原子配位，形成稳定的五元环结构(图5d)。电子局域函数(ELF)分析显示铀与配位氧原子间存在明显的电子云重叠。

该研究突破了传统COFs难以直接功能化的限制，通过"结构缺陷工程"策略创制了新型铀吸附剂。其重要意义在于：首次建立了COFs羧基修饰与铀吸附性能的构效关系，为放射性核素吸附材料的设计提供了分子层面的理论指导；开发的室温静态合成法简化了工艺流程，具有工业化应用潜力。这项工作不仅推动了功能化多孔材料在环境修复领域的发展，也为核废水处理技术的升级提供了新思路。