绿色金属有机框架（MOFs）在磷酸盐吸附中的应用：基于性能的绿色MOF筛选策略

为解决传统金属有机框架（MOFs）合成中高毒性溶剂、高成本及低环境兼容性问题，研究人员通过性能驱动策略筛选绿色MOFs，采用乙醇（EtOH）和去离子水（DIW）温和合成锆基MOFs（GR2-MOF(80)、GR8-MOF(25)和GR10-MOF(25)），其磷酸盐吸附容量高达221 mg PO4 ·g-1 ，优于商业UIO-66，且具备高选择性和循环稳定性。该研究为可持续水处理材料设计提供了新范式。

　　

随着水体富营养化问题日益严峻，磷酸盐的高效去除成为环境治理的焦点。传统吸附材料如活性炭和金属氧化物虽广泛应用，但存在容量低、选择性差等缺陷。金属有机框架（MOFs）因其超高比表面积和可调控孔隙结构被视为理想替代品，然而其合成通常依赖有毒溶剂（如DMF、DMA）和高温高压条件，不仅成本高昂，更违背绿色化学原则。如何平衡MOFs的性能与可持续性，成为研究者亟待破解的难题。

针对这一挑战，国外研究人员在《Environmental Research》发表了一项突破性研究。团队创新性地提出“性能导向”筛选策略，从环境兼容性、合成效率和经济性多维度评估MOFs潜力。通过系统分析文献数据，锁定锆（Zr）为最优金属中心——其高电荷密度和低环境毒性脱颖而出；同时筛选出两种绿色 linker：源自PET塑料回收的Na₂
TPA（对苯二甲酸钠）和生物质衍生的PMA（均苯四甲酸），二者在温和溶剂（水/乙醇）中展现优异溶解性。基于此，团队在25-80°C常压条件下成功合成12种MOFs，并通过活化工艺优化（湿法vs干法）显著提升吸附性能。

研究采用四大关键技术：1）跨文献meta分析建立绿色MOF筛选标准；2）溶剂调控合成（水/乙醇混合体系）；3）多尺度表征（SEM-EDS、FTIR、XPS、XRD、BET比表面积分析）；4）性能四象限评估法（吸附容量、产率、成本、处理效能）。

研究结果揭示：
3.1 绿色MOF组分筛选
锆基MOFs因生命周期评估（LCA）优势被优先选择，其GWP（全球变暖潜能值）和HT（人类毒性）显著低于铝/铁基材料。PMA linker凭借9.19 g/L水溶性（TPA仅0.0465 g/L）成为最佳候选，其四羧基结构更利于磷酸盐配位。

3.3 性能筛选
通过Q1-Q4四分位评分，GR2-MOF(80)（TPA基）和GR8-MOF(25)（PMA基）总分最高（15/13分）。后者在湿法活化后吸附容量从135.3跃升至221 mg PO₄
·g^-1
，远超UIO-66（126.8 mg·g^-1
），且合成成本降低47%。

3.4 吸附机制
伪二级动力学模型（R²

0.91）和颗粒内扩散分析表明化学吸附主导过程。XPS证实Zr 3d_5/2
峰强度增加14.74%，证实Zr-O-P键形成；FTIR显示1050 cm^-1
处P-O-C振动峰，O 1s谱中P-O-Zr组分占比提升至39.4%。

3.5 结构稳定性
XRD显示TPA基MOFs结晶度高（7°（111）晶面），而PMA基材料呈非晶态，反而赋予更高吸附活性。pH耐受测试中，所有MOFs在pH<10时结构稳定，但碱性条件（pH=12）会导致linker溶解。

3.7 实际应用验证
在模拟养猪废水（含NH₄
⁺
、SO₄
^2-
等干扰离子）中，GR8-MOF(25)对PO₄
^3-
的选择性系数达8.6。经0.1M NaOH再生后，TPA基材料可循环4次仍保持70%效率，显著优于碳酸氢盐洗脱方案。

这项研究的意义在于：首次将绿色化学原则系统融入MOF设计，证明环境友好型溶剂（水/乙醇）可替代传统有毒试剂，且通过活化工艺创新（湿法处理）使性能超越高温合成材料。GR8-MOF(25)的221 mg·g^-1
吸附容量创下绿色MOFs纪录，其“合成-应用-再生”全链条可持续性为工业废水处理提供了新思路。更深远的是，该性能筛选框架可拓展至其他污染物治理领域，推动MOFs从实验室走向规模化环境应用。