具有高比表面积和孔隙率的钴基金属有机框架能高效吸附水溶液中的环丙沙星

《Inorganic Chemistry Communications》：Cobalt-based metal-organic framework with high specific surface area and porosity efficiently adsorb ciprofloxacin from aqueous solutions

　　

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  合成了一种具有阴离子骨架的三维钴基金属有机框架。
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  Co₃-MOF-N 具有高达 741.9 m²/g 的比表面积。
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  环丙沙星的最大吸附容量达到 393.6 mg/g。
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  吸附过程为吸热且自发进行（ΔH > 0，ΔG < 0）。
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  吸附作用力包括静电作用、π–π 相互作用和氢键作用。

引言

全球抗生素消耗量巨大，其中大部分以活性形式排入环境，而常规处理工艺无法有效降解和去除这些抗生素 [1]。这最终导致抗生素污染废水对食品安全和人体健康构成威胁 [2]。环丙沙星作为一种广泛使用的氟喹诺酮类抗生素 [3]，主要通过两种机制影响环境和人体健康：诱导细菌耐药性以及产生直接的生态毒性和人体毒性 [4]。目前从水溶液中去除环丙沙星的方法根据其基本原理可分为物理法 [5]、化学法 [6]、[7] 和生物法 [8] 三类。常规物理方法利用多孔材料（如活性炭、生物炭、改性生物质）将污染物从水相转移到固相 [9]。该方法被认为是最有效和实用的技术之一，具有操作相对简单和材料来源丰富的特点。然而，传统吸附剂往往存在成本高、难以再生、孔结构无序以及缺乏特异性相互作用位点等缺点 [10]，因此有必要开发新型吸附材料。

金属有机框架（MOFs）是一类新兴的多孔晶体材料，通过金属离子或团簇与有机配体之间的配位键自组装构建而成 [11]。由于其卓越的比表面积、精确可调的孔径尺寸以及模块化可设计的结构，MOFs 近年来在材料科学领域引起了广泛的研究兴趣 [12]、[13]、[14]。其潜在应用涵盖广泛领域，包括荧光 [15]、[16]、[17]、磁性 [18]、气体储存与分离 [19]、电化学储能 [20]，以及污染物吸附 [21]、[22]、[23] 和降解 [24]、[25]。特别是，MOFs 在从水溶液中吸附去除环丙沙星方面已展现出巨大潜力。这种有效性源于其高吸附容量、选择性、可重复使用性以及协同催化潜能的集成 [26]、[27]。首先，超高的比表面积、丰富的孔隙率和可修饰的活性位点 [28] 使 MOFs 比传统吸附剂拥有更多的吸附位点，对环丙沙星的吸附容量可达每克数百毫克。其次，MOFs 的结构可通过改变金属离子和有机配体进行调控，从而精确控制孔径和表面化学性质。因此，这种可调控性使其能够通过多种相互作用（如静电力、氢键和 π-π 堆积）实现对环丙沙星分子的特异性识别和选择性捕获 [29]。这种选择性对于处理复杂的废水基质尤为重要。此外，MOFs 通常具有良好的化学稳定性和可再生性 [30]、[31]；大多数材料在多次吸附-解吸循环中仍能保持较高的去除效率，这显著降低了长期运行成本。

在本研究中，以 CoCl₂·6H₂O 和 4,4′-联苯二甲酸（H₂L）为原料，在 DMF 溶液中反应合成了一种具有三维多孔结构的金属有机框架，其化学式为 {[NH₂(CH₃)₂]₂[Co₃(L)₄]·5DMF·H₂O}_n（记为 Co₃-MOF）。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、元素分析和 X 射线单晶衍射对 Co₃-MOF 的结构进行了表征。此外，系统考察了吸附剂用量、溶液 pH 和温度对由 Co₃-MOF 制备的纳米级吸附剂（Co₃-MOF-N）吸附环丙沙星性能的影响。

章节片段

化学试剂与仪器

所有溶剂和化学试剂均为商业试剂级，使用前未经进一步纯化。4,4′-联苯二甲酸（H₂L）、CoCl₂·6H₂O、无水甲醇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮、环丙沙星、NaCl、Na₂SO₄、NaOH 和 H₂SO₄ 均为分析纯，购自上海依能源化学科技有限公司。实验全程使用的去离子水为娃哈哈纯净水。

具体仪器的详细信息见

FT-IR 分析

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对 H₂L 及其 Co₃-MOF 进行了表征，光谱如图 S1 所示。对于游离配体 H₂L（图 S1a），进行了如下系统归属。3442 cm^?1 处的宽峰归属于参与分子间氢键的羧基 OH 伸缩振动 [ν(OH)]。2668 和 2550 cm^?1 处的两个弱峰来源于

结论

本研究成功合成了一种具有三维多孔结构的钴基阴离子金属有机框架 Co₃-MOF，并系统评价了其纳米级对应物 Co₃-MOF-N 对水溶液中环丙沙星的吸附性能。该纳米材料不仅保持了原始框架的完整性，还提供了高比表面积（741.9 m²/g）和分级孔系统，结合了用于强结合的本征微孔和颗粒间

CRediT 作者贡献声明

Shixiong Li: 写作 – 原稿，基金获取。 Xiaolan Huang: 数据管理。 Ping Shi: 数据管理。 Huijun Chen: 写作 – 审阅与编辑，基金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受中国广西自然科学基金（编号：2026GXNSFHA00640297）、中国广西梧州市科技研究与开发计划项目（编号：202502040）、大学生创新创业训练计划项目（编号：202511354015）资助。

Shixiong Li，男，1985年3月出生，2018年12月于华南理工大学获得环境科学与工程博士学位。现任梧州学院专职讲师/副教授（教学督导）、广西大学硕士生导师、广西科技专家库专家、梧州市环境应急专家库成员、梧州市标准化专家、人民

Shixiong Li|Xiaolan Huang|Ping Shi|Huijun Chen