铋基金属有机框架衍生的Bi/Bi?O?-碳复合材料用于反应性封存水溶液中的碘离子

《Inorganic Chemistry Communications》：Bismuth metal–organic framework-derived bi/Bi 2O 3?carbon composites for reactive sequestration of aqueous iodide

　　**摘要**• 介孔Bi/Bi?O?-碳复合材料由CAU-17衍生而来。• Bi-CCs对水溶液中I?的吸附容量达到196.9 mg/g。• Bi/Bi?O?界面反应促进了Bi?O?I的形成，从而固存I?。• Bi-CCs在自来水和海水中保持了稳定的I?吸附。**引言**水是生命之源，但也是有害物质传播的主要途径。核能在医疗和工业应用中日益增加，引发了对放射性碘同位素意外释放的担忧，特别是短寿命131I（半衰期≈8天）和长寿命12?I（半衰期≈1570万年）[1]。这些同位素由于放射毒性和在甲状腺中的选择性蓄积，对环境与公共卫生构成严重威胁。在水环境中，放射性碘可能以多种化学形态存在，包括碘离子（I?）、碘酸根（IO??）和有机碘物种，具体取决于氧化还原条件和水化学性质[2]。在这些物种中，I?被认为是在还原至近中性条件下最具迁移性和环境相关性的形态之一，因为其具有高溶解度和与许多矿物表面的弱亲和力，这促进了它在水生系统和生物食物链中的快速迁移。这种行为增加了生物累积和相关不良健康效应的风险，包括甲状腺功能异常、遗传损伤、癌症风险升高和代谢紊乱[3], [4], [5]。因此，对放射性碘进行高效、安全的隔离对于减轻环境污染和保护人类健康至关重要。基于吸附的过程因其高效性、操作简单和经济可行性，被认为是水介质中放射性碘修复的有前景的方法[6], [7], [8]。各种吸附剂，包括碳质材料、粘土矿物、金属氧化物/氢氧化物、含银材料及其复合材料，都已被研究用于水溶液中的碘去除[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。其中，含银吸附剂对放射性碘表现出优异的亲和力；然而，其大规模应用通常受到高材料成本以及在复杂环境条件下稳定性问题的限制[16], [17]。另一方面，含铋材料因其天然丰富、相对较低的毒性和与碘化物物种的强化学亲和力而成为有前景的吸附剂[18], [19], [20], [21]。特别是，铋与I?之间的相互作用可以促进稳定的Bi-I配位环境和铋氧碘化物相（BixOyIz）的形成，这些相在还原环境中被认为是化学稳定的，其稳定性可能与碘化银（AgI）相当甚至更高[22], [23]。CAU-17，一种典型的含铋金属有机框架（MOF），因其由六边形、矩形和三角形通道组成的开放框架结构而近期受到关注，该结构可以促进阴离子物种向配位不饱和的Bi-O活性位点扩散[24], [25], [26], [27]。然而，原始MOF在水环境中的实际应用仍然具有挑战性，因为金属节点和有机配体之间的配位键容易水解，导致在吸附过程中框架坍塌和最终结构降解[28], [29], [30]。在惰性气氛下对MOF进行热转化已成为克服这些限制的有效策略。通常，MOF衍生的碳复合材料继承了其母体框架的分级多孔结构和均匀分散的活性位点，同时表现出改善的热稳定性和化学稳定性。此外，热转化可以诱导结构演变，包括相变、孔隙发育和缺陷生成，特别是在含金属氧化物区域的体系中。这些结构特征通常与富含缺陷的表面相关，如氧空位，这可以促进界面电荷重新分布并增强对I?的吸附亲和力[31], [32], [33]。因此，CAU-17衍生的结构有望提供相互连通的多孔网络和均匀分布的反应性含铋区域，从而促进I?对活性位点的可及性。然而，CAU-17衍生的碳复合材料对I?的吸附行为及其在水环境中的固存机制仍缺乏充分了解。本研究报道了通过惰性气氛下热转化制备CAU-17衍生的含铋碳复合材料（Bi-CCs），并研究了它们在I?吸附和固存方面的适用性。系统地表征了制备的Bi-CCs的理化性质，并在各种溶液介质中全面评估了其吸附行为，以评估其在环境相关水系统中的实际应用潜力。进一步进行了浸出实验，以评估负载I?的Bi-CCs在吸附后的稳定性。本研究的结果为MOF衍生的铋-碳复合材料作为复杂水环境中I?反应性隔离和固存的有前景候选材料提供了基本见解。**章节摘要****化学物质**本研究中使用的所有化学物质，包括硝酸铋五水合物（Bi(NO?)?·5H?O）、1,3,5-苯三甲酸（C?H?O?, H?BTC）、无水甲醇（CH?OH, MeOH）、氯化钠（NaCl）、硝酸钠（NaNO?）、碳酸钠（Na?CO?）、硫酸钠（Na?SO?）、碘化钾（KI）和海盐，均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。所有步骤均使用去离子水（18.2 MΩ, Milli-Q Plus）。**Bi-CCs的合成**Bi-CCs通过热解...**表征**图1a显示了制备的CAU-17及其Bi-CC衍生物的XRD图谱。制备的CAU-17的所有主要衍射峰均与文献报道一致。在6.4°、7.4°和9.8° 2θ值处的特征峰分别对应棒状CAU-17的(030)、(2?40)和(111?)晶面[27]。11.9°、15.8°和23.7°处的附加衍射峰代表板状或片状CAU-17的(?110)、(111)和(221)晶面[34]。**结论**总之，CAU-17的热碳化成功生成了具有改善的质地特性和可及反应性含铋位点的介孔Bi/Bi?O?-碳复合材料，从而显著增强了对I?的吸附亲和力。吸附等温线和动力学分别被Sips模型和拟二级模型很好地描述，表明Bi-CCs表面的异质性和由化学吸附驱动的I?吸附。机理研究表明I?...**CRediT作者贡献声明****Brian Hyun Choi：** 撰写—初稿，可视化，研究。**Huiryun Seo：** 可视化，研究。**Seongpil Jeong：** 资源，资金获取。**Kyungjin Cho：** 资源，研究。**Min-Jin Hwang：** 撰写—审阅与编辑，验证，形式分析，数据管理。**Kyung-Won Jung：** 撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知可能影响本论文所报道工作的相互竞争的财务利益或个人关系。**致谢**本研究由韩国科学技术研究所机构计划资助（26Z0117）和韩国国家研究基金会（NRF）资助（韩国政府（科学技术信息通信部）资助）（RS-2025-02219219）。**作者简介****Brian Hyun Choi** 是科技大学能源与环境技术部门的一名研究生。他于2011年在康奈尔大学获得化学与化学生物学学士学位，本科研究阶段在Emmanuel P. Giannelis教授的指导下进行。他的主要研究方向是设计用于环境修复的介孔材料和纳米结构材料。Brian Hyun Choi|Huiryun Seo|Seongpil Jeong|Kyungjin Cho|Min-Jin Hwang|Kyung-Won Jung