巯基功能化锆基金属有机框架选择性捕获水体中Pb(II)的机制研究及高效吸附性能

针对水体铅污染治理难题，研究人员通过硫氰尿酸(TCA)和2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑(MTD)修饰UiO-66-NH2，开发出新型吸附剂UiO-66-TCA/MTD。该材料对Pb(II)吸附容量达967.66 mg/g，较原始材料提升840%，对Pb(II)/Mg(II)和Pb(II)/Ba(II)的选择性系数分别达2700.17和7967.20。XPS和DFT证实巯基是关键活性位点，为含硫MOF设计提供了理论支撑。

　　

随着工业化和农业活动加速，铅离子(Pb(II))等重金属污染已成为全球性环境问题。这类污染物通过食物链在人体累积，可导致神经系统损伤、肝肾功能障碍等严重健康风险。传统处理方法如化学沉淀法易产生二次污染，电渗析和膜分离技术又面临成本效率瓶颈。在众多解决方案中，金属有机框架(MOF)因其高比表面积和可修饰性崭露头角，但普通MOF材料存在水稳定性差、吸附位点有限等缺陷。

针对这一挑战，研究人员开发了两种基于UiO-66-NH₂的巯基功能化新材料。通过硫氰尿酸(TCA)和2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑(MTD)修饰，成功将高密度硫活性位点锚定在锆基MOF骨架上。结构表征显示改性后的材料完美保留了UiO-66-NH₂的晶体结构，FT-IR证实巯基成功接枝，BET测试显示材料仍保持高达813.45 m²/g的比表面积。

研究采用伪二级动力学模型和Langmuir等温线模型解析吸附行为，发现UiO-66-TCA对Pb(II)的饱和吸附量达967.66 mg/g，较原始材料提升8.4倍。更令人瞩目的是其卓越选择性：在含Mg(II)、Ba(II)等竞争离子的溶液中，对Pb(II)的分离系数分别高达2700.17和7967.20。通过XPS和DFT计算揭示，吸附机制主要涉及Pb(II)与修饰层中硫元素的表面配位，其中巯基(-SH)是关键的活性位点，每个Pb(II)可与2-3个硫原子形成稳定配位键。

该研究创新点在于：首次将TCA和MTD同时用于MOF改性，通过精确控制硫密度实现吸附性能的飞跃；阐明了"软-硬酸碱理论"在铅吸附中的特殊表现——虽然Pb(II)被归类为边界酸，但其实际表现出显著的软酸特性，与巯基的亲和力远超预期。材料在5次吸附-解吸循环后仍保持90%以上效率，且能耐受pH 2-12的极端条件，展现出极强工程应用潜力。

这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究，不仅为含硫MOF材料设计提供了新思路，更开创了重金属污染治理的新范式。其提出的"定向修饰策略"可推广至其他重金属吸附剂开发，而揭示的配位机制对理解铅的生物毒性也具有重要启示。未来通过优化修饰基团结构，有望进一步发展出可同时捕获多种重金属的"智能"吸附材料。