北化于中振、楊冬芝團(tuán)隊 Appl. Catal. B: Environ.：復(fù)合凝膠微反應(yīng)器用于大氣環(huán)境中自發(fā)吸濕和催化水解污染物
近日，北京化工大學(xué)楊冬芝教授和于中振教授團(tuán)隊針對在大氣等自然環(huán)境中催化水解有機污染物和危化品面臨的缺乏游離態(tài)體相水的瓶頸問題，設(shè)計了超吸濕性聚合物-MOF復(fù)合凝膠微反應(yīng)器，用于在大氣環(huán)境中自發(fā)吸濕和催化水解有機污染物。
有機磷系列危化品或者污染物屬于毒性較強的污染物。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及軍事等領(lǐng)域解除有機磷污染存在著亟待解決的瓶頸問題。如有機磷酸酯類神經(jīng)毒劑是目前毒性最強且使用廣泛的化學(xué)戰(zhàn)劑種類之一，安全有效地防護(hù)和解毒是人類社會面臨的一項必要且緊迫的任務(wù)。近十年來，MOF粉末在液相中對有機磷酸酯類毒物表現(xiàn)出高效的催化活性，然而通常高度依賴于堿性緩沖液，目前基礎(chǔ)研究聚焦在液相水中的催化水解的實驗室基礎(chǔ)研究，對防護(hù)材料的實際應(yīng)用發(fā)展來說仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，最突出的幾個科學(xué)問題，一是實際應(yīng)用環(huán)境如大氣等自然環(huán)境，缺乏液態(tài)水；二是易揮發(fā)的堿性助催化劑；三是輕質(zhì)可穿戴，催化劑MOF需要與聚合物等材料進(jìn)行整合而仍然保留其高效催化活性。
該研究設(shè)計復(fù)合凝膠微反應(yīng)器具有三維多層級多孔輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，為水分子的傳輸和存儲提供有效路徑和豐富位點，表現(xiàn)出自發(fā)的吸濕作用、快速的水合速率和持久的保水能力，結(jié)合充分暴露的MOF催化劑與胺基聚合物發(fā)揮協(xié)同催化作用，在較寬的相對濕度范圍內(nèi)實現(xiàn)了同步的吸濕和催化水解作用。復(fù)合凝膠微反應(yīng)器內(nèi)部開放的定向微通道有利于快速傳質(zhì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸濕性能，在90%相對濕度下吸濕量達(dá)到6.4 g g-1，同時展現(xiàn)出對有機磷中危害最大的神經(jīng)毒劑模擬物4-硝基苯磷酸二甲酯（DMNP）高效的催化水解作用，初始半衰期約為1.9 h，最終轉(zhuǎn)化率為95.5%，實現(xiàn)了在大氣環(huán)境中同步的吸濕和催化水解神經(jīng)毒劑模擬物，為化學(xué)戰(zhàn)劑防護(hù)材料在大氣環(huán)境中的實際應(yīng)用提供了重要的理論參考價值。
圖1. 復(fù)合材料在大氣環(huán)境中同步吸濕和催化水解
圖2. 復(fù)合材料在大氣環(huán)境中的吸濕性能
圖3. 復(fù)合材料在大氣環(huán)境中的催化水解性能
該工作以“Spontaneously Super-Hygroscopic MOF-Gel Microreactors for Efficient Detoxification of Nerve Agent Simulant in Atmospheric Environments”為題發(fā)表在期刊Applied Catalysis B: Environmental（10.1016/j.apcatb.2023.122516）。論文第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生王雪嬌，通訊作者為北京化工大學(xué)楊冬芝教授和于中振教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金和中央高校基礎(chǔ)研究基金的資助。
該工作是團(tuán)隊近期關(guān)于新型化學(xué)污染物防護(hù)材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。在之前的工作中，團(tuán)隊對于有機磷類有機污染物DMNP在石墨烯纖維表面的催化水解進(jìn)行了系統(tǒng)的報道（Journal of Hazardous Materials, 2020, 393:122332；https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122332）；團(tuán)隊提出利用吸濕性聚合物基復(fù)合材料吸收潮濕空氣中的水分子，實現(xiàn)有效收集大氣水并重新分配再利用，為后續(xù)解決在大氣環(huán)境中催化水解有機磷類污染物面臨供水不足的問題提供可行性策略（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14：33881?33891；https://doi.org/10.1021/acsami.2c08591）。從液態(tài)游離體相水溶液環(huán)境下的催化水解走向大氣等自然環(huán)境中實際污染物的消解，該系列工作邁出了創(chuàng)新性的一步。
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