用于协同光催化-吸附去除持久性污染物的COF/MIL-100杂化材料的理性设计及技术经济评估

《Applied Materials Today》：Rational design of a COF/MIL-100 hybrid for synergistic photocatalytic–adsorptive removal of persistent pollutants and techno-economic assessment

　　**摘要要点：**- 创新性的配体共享COF/MOF杂化体设计及节能合成。- COF/MOF杂化体可见光下优化的组分性能与出色的光催化效率。- 有利的污染物降解动力学与机理。- 卓越的吸附容量（刚果红（944.4 mg/g）和四环素（100.5 mg/g））及双功能材料平台。- 采用技术经济分析验证的可行性（成本效益高的合成、低能耗及可回收性）。## 引言由于污染物持续释放到自然生态系统中，环境污染已成为全球主要关切问题，对人类健康和环境可持续性构成严重威胁。在众多环境挑战中，水污染始终是最关键的问题之一，迫切需要高效、可持续且经济可行的处理技术[1]–[4]。传统处理方法，包括吸附[5]、[6]、光催化[7]、[8]、[9]、[10]、膜分离[11]、[12]和生物处理[13]、[14]，各自均展现出独特的优势；然而，开发能够同时实现高效吸附和光催化的多功能材料仍是重要的研究方向[15]、[16]、[17]。在这些技术中，吸附以其简便性、低能耗和操作效率受到重视，而光催化则在温和操作条件下提供了有机污染物的完全降解和矿化能力[18]、[19]。多孔晶体材料因其高比表面积、可调孔径结构和丰富的活性位点而在废水处理领域受到广泛关注。其中，金属有机框架（MOFs）具有高孔隙率、可调结构和多功能性，使其成为吸附和光催化的理想材料。特别是铁基MOFs，因其低成本、环境兼容性和优异的催化性能而备受关注[20]、[21]、[22]。同样，共价有机框架（COFs）是仅由共价键连接的有机构建单元组成的晶体多孔聚合物。其永久孔隙、高化学稳定性、可调孔径结构和大的比表面积使其在废水处理、光催化、气体分离及相关环境过程中得到应用[23]–[26]。尽管MOFs和COFs各有优势，但两者都存在固有局限性。许多MOFs水稳定性较差，而无金属COFs通常表现出相对较低的催化活性和光催化过程中快速的电荷载体复合。因此，将MOFs和COFs集成到杂化架构中已成为一种有效的策略，结合了COFs的结构稳定性和可调功能性与MOFs的催化活性，从而增强了吸附性能、电荷转移效率和光催化活性[27]、[28]、[29]。近期研究表明，合理设计的MOF/COF复合材料经常表现出优于各自组分的性能，这归因于协同的界面相互作用。COF/MOF杂化体在光催化和吸附应用中的代表性示例见表S1–S3。持久性有机污染物的不断增加的排放，包括抗生素和合成染料，加强了对高效处理技术的需求。四环素等抗生素由于其广泛使用和差的可生物降解性，经常在环境中被检测到，从而造成生态风险和抗生素耐药性[30]、[31]、[32]。同样，偶氮染料如 Direct Red 80（DR80）和刚果红（CR），以及阳离子染料亚甲基蓝（MB），是广泛使用的工业化学品，具有高毒性、持久性和抗生物降解性，使其有效去除在环境上具有重要意义[33]、[34]、[35]。尽管在MOF/COF杂化材料方面取得了显著进展，但尚未报道使用水作为唯一反应溶剂的绿色配体共享COF/MIL-100杂化体的合成。采用水代替有机溶剂是一种符合绿色化学原则的可持续合成策略，同时简化了材料制备。因此，本研究报道了一种新型配体共享COF/MIL-100杂化体的合成，该杂化体以间苯三甲酸作为两种框架的共同有机连接体，通过简单的室温水溶液路线制备。制备了不同COF/MIL-100比例的杂化体以研究组成对结构特征和污染物去除性能的影响。对优化杂化体的多功能行为进行了系统评估，包括可见光光催化降解和吸附，使用代表性染料（DR80、CR和MB）和抗生素（TCN和DOX）。特别强调了直接比较光催化和吸附性能、阐明相应的去除机理，以及评估催化剂稳定性、可回收性、能耗和技术经济可行性，从而建立了一个环境友好的多功能高级废水处理平台。### 章节摘要**材料**见补充文件和表S4。**基于酰胺的COF合成**首先将三聚氰胺（0.946 g）分散在50 mL水中，室温下搅拌以获得均匀悬浮液。随后，向分散体中逐渐加入1,3,5-苯三甲酸（1.051 g）。加入后，混合物变得日益浑浊，表明三聚氰胺与1,3,5-苯三甲酸之间通过氢键相互作用形成了超分子组装体。该混合物…**FTIR**采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定原始材料的特征官能团[36]、[37]。并用于阐明COF/MIL-100(Fe)杂化体（COF/MIL100–1、COF/MIL100–2、COF/MIL100–3）中界面相互作用的性质（图4a）。两种组分的特征峰的存在证实了复合材料的成功形成，而对峰位置、形状和相对强度的详细对比分析提供了有力的证据…**结论**本研究为COF/MIL-100杂化体设计策略提供了见解。采用了一种新颖的方法来开发COF/MIL-100杂化体，其中两种有机框架共享配体，其一步法合成在室温下水溶液中进行。分别以递减的COF前驱体量合成了标记为1、2和3的COF/MIL复合材料。通过常规分析方法验证杂化体结构后，所得样品被用作…**CRediT作者贡献声明****Niyaz Mohammad Mahmoodi：** 写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。**Bahareh Rabeie：** 写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本工作基于伊朗国家科学基金会（INSF）资助的研究，项目编号：4026428。