水相室温合成二维CuCo-BDC双金属有机框架用于高效活化过氧单硫酸盐降解污染物

推荐：研究人员针对传统双金属有机框架(BMOFs)合成条件苛刻(高温高压/有毒溶剂)的问题，开发了以Na2 BDC为连接体的水相室温合成法，制备出二维CuCo-BDC材料。该材料在0.25 mM低PMS浓度下，通过Cu-Co协同效应和介孔结构实现300倍于Cu-BDC的污染物降解速率，为环境修复提供了绿色高效的解决方案。

　　

在环境治理领域，金属有机框架(MOFs)因其超高比表面积和可调控孔隙结构备受关注，但传统合成方法面临严峻挑战：需要180℃高温、长达96小时的反应时间，且依赖有毒有机溶剂。更棘手的是，单金属MOFs在催化性能和稳定性方面存在局限。针对这些痛点，研究人员开创性地开发了室温水相合成策略，通过钴掺杂Cu-BDC构建新型双金属MOFs(BMOFs)，为污染物降解提供了创新解决方案。

这项发表于《Journal of Hazardous Materials》的研究由国内团队完成，采用X射线衍射(XRD)、软X射线吸收光谱(sXAS)、电子顺磁共振(EPR)等技术，系统评估了材料的催化性能。关键创新在于使用水溶性对苯二甲酸二钠(Na₂
BDC)替代传统质子化配体，实现了温和条件下的高效合成。

【合成与结构表征】
通过室温共沉淀法成功制备系列CuCo-BDC材料，XRD证实钴掺杂未改变晶体结构。SEM/TEM显示材料呈现1μm尺寸的二维方形纳米片形态，EDS映射证实金属均匀分布。sXAS分析揭示Cu-Co间电子转移，XPS显示掺杂后Cu 2p结合能降低0.24 eV，证实Cu(II)部分还原为Cu(I)。氮气吸附测试显示材料具有22.8 m²
/g比表面积和2-50 nm介孔结构。

【催化性能】
以萘普生(NPX)为模型污染物，Cu10Co-BDC/PMS系统在20分钟内实现完全降解，速率常数(k_obs
)达0.289 min^-1
，是Cu-BDC的300倍。性能优化实验表明：在pH 4.1-9范围内有效，最佳钴掺杂量为15%；0.25 mM低PMS浓度下效率远超文献报道值(通常需2-3 mM)。

【机理研究】
通过甲醇(MeOH)、对苯醌(p-BQ)等淬灭实验结合EPR检测，证实SO₄
^•?
、O₂
^•?
和¹
O₂
是主要活性物种。sXAS追踪到催化过程中Cu(I)→Cu(II)的转化，揭示了Cu-Co协同机制：Cu(I)还原Co(III)加速Co(II)再生循环。原位FT-IR证实PMS与催化剂表面强相互作用。

【实际应用】
材料对磺胺甲恶唑(SMX)、罗丹明B(RhB)等污染物同样高效，30分钟内去除率>93%。共存离子实验显示Cl^-
可提升性能，而CO₃
^2-
有抑制作用。稳定性测试表明四轮循环后效率保持70%，钴溶出量(0.16-2.2 mg/L)显著低于纯Co-BDC(60 mg/L)。

该研究突破了BMOFs绿色合成的技术瓶颈，创制的二维材料兼具以下优势：(1)室温水相合成避免能源消耗和溶剂污染；(2)介孔结构促进传质；(3)双金属协同效应提升PMS活化效率；(4)宽pH适应性和低氧化剂需求。这些发现为发展可持续水处理技术提供了新思路，推动MOFs材料从实验室走向实际环境应用。环境意义评估指出，该方法将反应条件从传统180℃降至室温，PMS用量减少90%，大幅降低了处理过程的碳足迹和化学风险。