Postsynthetically Modified Covalent Organic Frameworks for Efficient and Effective Mercury Removal

化学 介孔材料 分子内力 硫醚 共价有机骨架 共价键 Mercury(编程语言) 吸附 硫醇 水溶液 组合化学 环境修复 螯合作用 无机化学 有机化学 催化作用 污染 程序设计语言 生物 计算机科学 生态学
作者
Qi Sun,Briana Aguila,Jason A. Perman,Lyndsey D. Earl,Carter W. Abney,Yuchuan Cheng,Hao Wei,Nicholas Nguyen,Łukasz Wojtas,Shengqian Ma
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (7): 2786-2793 被引量:885
标识
DOI:10.1021/jacs.6b12885
摘要

A key challenge in environmental remediation is the design of adsorbents bearing an abundance of accessible chelating sites with high affinity, to achieve both rapid uptake and high capacity for the contaminants. Herein, we demonstrate how two-dimensional covalent organic frameworks (COFs) with well-defined mesopore structures display the right combination of properties to serve as a scaffold for decorating coordination sites to create ideal adsorbents. The proof-of-concept design is illustrated by modifying sulfur derivatives on a newly designed vinyl-functionalized mesoporous COF (COF-V) via thiol–ene "click" reaction. Representatively, the material (COF-S-SH) synthesized by treating COF-V with 1,2-ethanedithiol exhibits high efficiency in removing mercury from aqueous solutions and the air, affording Hg2+ and Hg0 capacities of 1350 and 863 mg g–1, respectively, surpassing all those of thiol and thioether functionalized materials reported thus far. More significantly, COF-S-SH demonstrates an ultrahigh distribution coefficient value (Kd) of 2.3 × 109 mL g–1, which allows it to rapidly reduce the Hg2+ concentration from 5 ppm to less than 0.1 ppb, well below the acceptable limit in drinking water (2 ppb). We attribute the impressive performance to the synergistic effects arising from densely populated chelating groups with a strong binding ability within ordered mesopores that allow rapid diffusion of mercury species throughout the material. X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopic studies revealed that each Hg is bound exclusively by two S via intramolecular cooperativity in COF-S-SH, further interpreting its excellent affinity. The results presented here thus reveal the exceptional potential of COFs for high-performance environmental remediation.
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