磁性金属有机框架材料的工程化设计及其在饮料中微/纳米塑料高效广谱吸附的应用

为解决微/纳米塑料（MNPs）污染对环境和人类健康的威胁，研究人员开发了五种磁性金属有机框架（Fe3O4@CMC-MOFs）复合材料，其中Fe3O4@CMC-MIL-101-NH2表现出最优性能，对聚苯乙烯（PS）的吸附率达98.0%（最大吸附量1923 mg/g），且可循环使用5次以上。该研究通过结构-活性关系解析和密度泛函理论（DFT）揭示了范德华力和π-π堆叠主导的吸附机制，为食品和环境系统中MNPs的去除提供了高效、低成本的解决方案。

　　

微塑料和纳米塑料已成为全球性环境污染物，它们通过食物链进入人体，甚至在胎盘、大脑和心脏等器官中被检出。这些微小塑料不仅自身具有毒性，还能吸附重金属和病原体，加剧健康风险。然而，现有去除技术如膜过滤和化学处理存在效率低、二次污染等问题。金属有机框架（MOFs）因其高比表面积和可设计性被视为理想吸附材料，但传统MOFs与微米级塑料的尺寸不匹配限制了应用。

为解决这一问题，辽宁高校的研究团队设计了一系列磁性MOF复合材料（Fe₃O₄@CMC-MOFs），通过系统比较五种材料对聚苯乙烯（PS）的吸附性能，发现氨基修饰的MIL-101-NH₂基材料（Fe₃O₄@CMC-MIL-101-NH₂）表现最优：240分钟内去除率达98.0%，最大吸附容量达1923 mg/g（基于Langmuir模型），且循环5次后效率仍超过89%。该材料还能广谱吸附聚丙烯、聚乙烯等不同形状、尺寸和电荷的微塑料（>250 mg/g），并在饮料实际样本中实现>81%的去除率。

研究采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）表征材料结构，结合吸附动力学、等温线和密度泛函理论（DFT）分析机制，证实吸附主要由范德华力和π-π堆叠驱动。磁性设计使材料可通过外部磁场1分钟内快速分离，解决了传统粉末MOFs回收难题。

材料表征与性能分析
SEM/TEM显示Fe₃O₄@CMC-MIL-101-NH₂具有分级多孔结构，比表面积达1024 m²/g，孔径分布（1.7-50 nm）匹配微/纳米塑料尺寸。Zeta电位和FTIR证实表面氨基增强了对带负电塑料的静电吸引。

吸附机制解析
动力学符合准二级模型，说明化学吸附主导；DFT计算显示PS苯环与MIL-101-NH₂的氨基形成强相互作用（结合能-2.34 eV），而CMC涂层提供疏水界面促进塑料捕获。

实际应用验证
在可乐、果汁等饮料中，材料对PS（100 nm-10 μm）的去除率稳定在81-92%，且不受饮料pH和离子强度干扰。

该研究不仅提供了高性能吸附剂的设计范式，更通过结构-活性关系解析为MOFs在环境治理中的应用奠定理论基础。材料兼具磁性分离的便捷性和MOFs的高效性，有望推广至饮用水处理、食品工业等场景。论文发表于《Journal of Hazardous Materials》，通讯作者为Chen Yiping（陈益平）。