【MOF光催化剂】负载钴基MOF作为降解呋喃妥因的有效光催化剂

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摘要：
四川轻化工大学路璐、深圳职业技术大学汪小雄和University of Lucknow的Abhinav Kumar老师等报道的本篇文章（Appl Organomet Chem. 2024, e7609.）中通过溶剂热法合成了一种新型的钴(II)基金属有机框架(MOF)材料[Co2(μ2-OH)(L)(bib)·H2O·2DMA]n (1)（其中H3L = 5-[4-羧基苯氧基]异酞酸，bib = 1,4-双[1-咪唑基]苯，DMA = 二甲基乙酰胺）。该MOF展示了前所未有的拓扑结构，具有(43)2(4.66.1686)的Schläfli符号，并表现出3.68 eV的光学带隙，因此被用作光催化剂来光降解诸如甲硝唑、替硝唑、硝呋太和二甲硝唑等抗生素。在这些抗生素中，它对硝呋太的光催化降解表现出特别的高效性。通过实验和计算技术，如自由基捕获实验、态密度和Hirshfeld表面分析，探讨了光驱动硝呋太分解的机理路径。

研究背景：
1. 水体中抗生素的污染问题日益严重，这些污染物对环境和人类健康构成威胁。
2. 已有研究开发了多种MOF基材料作为光催化剂，用于分解水体中的污染物。
3. 本研究中，作者合成了一种新型Co(II)基MOF，利用其独特的拓扑结构和光催化性质，特别是对硝呋太的高效光催化降解性能进行了深入研究。

实验部分：
1. MOF的合成
   - 将钴盐、5-(4-羧基苯氧基)异酞酸和1,4-双(1-咪唑基)苯溶解在二甲基乙酰胺中，通过溶剂热法合成MOF。
   - 反应在特定温度下进行，随后冷却至室温，过滤并洗涤得到产物。
2. 光催化性能测试
   - 使用紫外-可见漫反射光谱仪测定MOF的光学带隙。
   - 将MOF分散在含抗生素的水溶液中，使用氙灯作为光源进行光催化实验。
3. 光催化条件优化
   - 调整MOF的用量（3, 5, 10 mg）、初始抗生素浓度（30, 40, 50 ppm）和溶液pH值（4, 5, 6）。
   - 记录不同条件下的光催化降解效率。
4. 自由基捕获实验
   - 向反应体系中添加不同自由基捕获剂（草酸铵、苯醌、叔丁醇），观察对光催化效率的影响。
5. Hirshfeld表面分析和DOS计算
   - 使用Hirshfeld表面分析软件评估MOF的弱相互作用。
   - 通过密度泛函理论（DFT）计算MOF的电子态密度（DOS）。

分析测试：
1. PXRD分析
   - PXRD图谱显示MOF的衍射峰与单晶数据模拟的PXRD图谱高度一致，表明MOF具有高相纯度。
2. TGA分析
   - TGA曲线显示MOF在两个阶段的热分解，第一个失重12.81%，第二个失重52.89%，最终残留质量为34.2%，与氧化钴的生成相符。
3. UV-Vis光谱法
   - MOF的光学带隙为3.68 eV，表明其在可见光区具有吸收能力。
4. 光催化降解效率测试
   - 在最优条件下（5 mg MOF, pH 5, 40 ppm硝呋太），2小时内硝呋太的光催化降解率达到99.66%。
5. 自由基捕获实验
   - 添加叔丁醇后，光催化降解效率显著下降，表明羟基自由基是主要的活性物种。
6. Hirshfeld表面分析
   - 分析显示MOF表面存在O-H和N-H相互作用，有助于抗生素分子与MOF的结合。
7. DOS计算
   - 计算结果表明MOF的价带主要由钴和氧原子组成，导带由钴、氮和氧原子组成，电子跃迁主要发生在d-d及配体-配体间。

总结：
本研究成功合成了一种新型Co(II)基MOF，并发现其具有优异的光催化降解硝呋太的性能。通过优化实验条件，实现了高效的光催化降解效果。自由基捕获实验和计算分析揭示了光催化过程中的主要活性物种和电子结构变化。

展望：
本研究为抗生素污染水体的净化提供了一种有效的材料和技术。未来的工作可以进一步探索MOF的长期稳定性和可回收性，以及在实际水处理中的应用潜力。此外，研究不同结构的MOF对其他污染物的光催化降解效果，以及开发更高效的光催化剂也是重要的研究方向。

5-(4′-carboxylphenoxy) isophthalic acid and 1, 4-bis(1-imidazolyl)benzene appended Co(II)-based MOF as efficient photocatalyst for nitrofurantoin degradation
文章作者：Jia-Jia Wang, Cui-Ying Pu, Lu Lu, Mohd. Muddassir, Shreya Srivastava, Madhav Raj Jayswal, Xiaoxiong Wang, Abhinav Kumar
DOI：10.1002/aoc.7609
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aoc.7609

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