基于POSS-Se1-TPA的多孔荧光材料在重金属离子检测与CO2捕获中的双功能应用研究

研究人员针对重金属离子检测复杂性和CO2吸附效率低的问题，设计了一种基于聚倍半硅氧烷(POSS)的新型荧光材料POSS-Se1-TPA。该材料通过整合咪唑-硒酮和三苯胺基团，实现了对Fe3+/Cu2+的高选择性检测（检测限达10-7 M）及CO2高效吸附（28 mmol/g）。其多孔结构和双机制吸附为环境监测提供了创新解决方案。

　　

在工业化进程加速的今天，重金属污染和温室气体排放如同两把悬在人类头顶的达摩克利斯之剑。铁离子(Fe³⁺)虽是生命必需元素，但过量会导致神经退行性疾病；而CO₂的过度排放正引发全球气候危机。传统检测方法如原子吸收光谱耗时耗力，MOFs等吸附材料又面临稳定性差的问题。如何开发兼具高灵敏度检测与高效吸附的双功能材料，成为环境科学领域的"圣杯"挑战。

山东省自然科学基金支持下的研究团队另辟蹊径，将目光投向具有刚性笼状结构的聚倍半硅氧烷(POSS)。这种"纳米积木"既能通过硅氧骨架提供稳定性，又可通过外围有机基团实现功能定制。研究人员创新性地采用"一锅法"Povarov反应，将咪唑-硒酮(电子受体)与三苯胺(电子给体)嫁接到POSS骨架上，构建出具有聚集诱导发光(AIE)特性的POSS-Se1-TPA材料。

研究团队运用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)验证分子结构，通过热重分析(TGA)证实材料在300°C下的优异稳定性。荧光光谱显示其最大发射峰位于520 nm，量子产率达0.38。X射线光电子能谱(XPS)揭示了Se...Fe³⁺配位键的形成机制。CO₂吸附测试采用静态容积法，结合密度泛函理论(DFT)计算阐明了吸附位点。

材料合成与表征
通过三步反应构建的POSS-Se1-TPA，其FT-IR在1120 cm^-1处出现Si-O-Si特征峰，1600 cm^-1处新增的C=N键证实了喹啉环的形成。TGA显示5%重量损失温度达320°C，氮吸附测试测得BET比表面积为680 m²/g，孔径集中在1.2 nm。

金属离子检测性能
在THF/H₂O混合体系中，材料对Fe³⁺的检测限低至0.13 μM，响应时间<30秒。XPS证实Se 3d轨道结合能偏移1.2 eV，证明硒原子与金属离子的强配位作用。竞争实验显示，即使存在100倍浓度的Na⁺/K⁺，荧光猝灭率仍保持>90%。

CO₂吸附机制
在273K/700 mmHg条件下，材料表现出28 mmol/g的吸附量。DFT计算表明，咪唑环的氮原子与CO₂形成电荷转移复合物(-15.6 kJ/mol)，而微孔结构贡献了物理吸附位点。循环测试10次后吸附容量仅下降7%。

这项研究开创性地将环境监测与治理两大功能集于一体。POSS-Se1-TPA不仅解决了传统传感器易猝灭的难题，其"分子海绵"特性还为碳捕获技术提供了新思路。材料设计中"刚柔并济"的策略——刚性硅氧笼保障稳定性，柔性有机侧链实现功能调控，为后续开发智能环境材料树立了范式。当这种材料投入实际应用，或许能在工厂排污口实时"嗅探"重金属，同时将温室气体"锁"在纳米牢笼中，真正实现"一石二鸟"的环境治理愿景。