CN113929905A - 一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法及应用，属于环境保护技术领域。将1,3,6,8‑四(4‑甲酰基苯基)芘和4,4'‑二氨基‑[1,1'‑联苯]‑3,3'‑二醇通过席夫碱反应合成亚胺键连接的荧光共价有机框架。该荧光共价有机框架以亚胺键作为连接单元，周围有大量羟基官能团，可选择性结合铀酰离子。同时，基于芘基单元的优异荧光特性，建立了对铀酰离子的快速和灵敏检测方法。此外，亚胺键连接的荧光共价有机框架中的酚羟基还能将可溶性U(VI)还原为不溶性U(IV)，从而极大地提高了对铀酰离子的吸附容量。本发明方法制备亚胺键连接的荧光共价有机框架的方法简单、结构稳定、环境友好，可用于对铀酰离子的高灵敏检测和选择性回收，有良好的应用前景。

Description

一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法及应用
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法及应用。
背景技术
核能是一种不产生温室气体的清洁能源，具有极高的能量密度，有望成为未来主要的清洁能源之一(C.W.Abney,R.T.Mayes,T.Saito,S.Dai.Materials for the recoveryof uranium from seawater,Chem.Rev.2017,117,13935-14013)。铀是核工业中的关键元素，从环境中提取铀有利于能源工业的可持续发展。然而，铀也是一种具有放射性和化学毒性的全球环境污染物。铀在环境中的主要价态是U(VI)，具有强流动性、高放射性和高毒性。相比之下，U(IV)的溶解性和毒性较低。将可溶性U(VI)化学还原为不溶性U(IV)可作为解决意外核泄漏引起的环境问题的一种重要方法(Y.Xu,H.Zhang,Q.Liu,J.Liu,J.Yu,J.Zhu,R.Li,J.Wang.Surface hybridization ofπ-conjugate structure cyclizedpolyacrylonitrile and radial microsphere shaped TiO2 for reducing U(VI)to U(IV),J.Hazard.Mater,2021,416,125812)。然而，恶劣的环境和大量的干扰离子对铀的检测和回收构成了挑战。
共价有机框架(COF)由于稳定性高、孔结构规则、比表面积大等优点，成为用于荧光检测和提取铀的新材料(X.Li,Y.Zou,Z.Jia,J.Zhang,Y.Li,X.Guo,M.Zhang,K.Li,J.Li,L.Ma.A fully conjugated organic polymer via Knoevenagel condensation for fastseparation of uranium,J.Hazard.Mater.2021,401,123802)。本发明中合成的TFPPy-BDOH，由于其高度π-共轭骨架中芘单元优异的荧光特性，以及引入酚羟基后使其具有良好的亲水性，促进了铀酰离子的扩散，增加了铀酰离子的结合位点，从而实现了超快的荧光响应和超低检测限。同时，酚羟基可将U(VI)化学还原为U(IV)，进一步提高对铀的吸附容量(W.-R.Cui,C.-R.Zhang,R.-H.Xu,X.-R.Chen,W.Jiang,Y.-J.Li,R.-P.Liang,J.-D.Qiu.Rational design of covalent organic frameworks as a groundbreakinguranium capture platform through three synergistic mechanisms,Appl.Catal.B-Environ.2021,294,120250)。以前的研究工作中大都是基于酰胺肟化的吸附剂，然而，酰胺肟基团对钒的亲和力强于铀，这是阻碍酰胺肟基吸附剂实际应用的巨大挑战(Cheng,G.,Zhang,A.,Zhao,Z.,Hu,B.,Han,B.,Ai,Y.X.Wang.Extremely stable amidoximefunctionalized covalent organic frameworks for uranium extraction fromseawater with high efficiency and selectivity,Sci.Bull,2021,66,1994)。选用亚胺键连接的共价有机框架的优势在于其合成方法简单，均匀分布的亚胺键可与周边的酚羟基特异性络合铀酰离子，从而克服钒的干扰。目前尚未见亚胺键连接的荧光共价有机框架用于检测铀酰离子并同时通过化学还原机制高效捕获铀的报道。
发明内容
针对目前基于胺肟的COF对钒具有更高的亲和力，并且复杂的后改性过程会降低孔隙率和结晶度等问题，本发明提供了一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法及对铀酰离子的检测与吸附应用。1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘和4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二醇通过席夫碱反应制备的亚胺键连接的荧光共价有机框架(TFPPy-BDOH)，具有方法简单、结构稳定、环境友好、荧光优异等优点。TFPPy-BDOH以亚胺键作为连接单元，周围存在大量羟基官能团，亚胺键的氮原子和酚羟基的氧原子协同配位可选择性结合铀酰离子；同时，基于芘基单元的优异荧光特性，使得TFPPy-BDOH发射强荧光，铀酰离子与TFPPy-BDOH结合可减弱其荧光信号，据此建立了对铀酰离子的快速和灵敏检测方法。此外，TFPPy-BDOH中的酚羟基还能将可溶性U(VI)化学还原为不溶性U(IV)，从而极大地提高了对铀酰离子的吸附容量，可用于对铀酰离子的高效和选择性回收，有良好的应用前景。
本发明旨在提供一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法及对铀酰离子的检测与吸附应用，本发明制备亚胺键连接的荧光共价有机框架的方法简单、结构稳定、环境友好，对铀酰离子的检测灵敏度高，并具有吸附容量大和选择性高等优点，具体技术方案如下：
一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法，包括以下步骤：
1)以1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘和4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二醇作为反应原料，向其中加入1,4-二恶烷、苯甲醇、均三甲苯和乙酸溶液，将混合溶液超声处理后得到反应混合溶液；
2)将反应混合溶液冷冻-解冻循环脱气并火焰密封，120℃条件下加热2-4天，冷却后过滤，取过滤后固体沉淀，用四氢呋喃洗涤数次后抽干，得到的固体80℃条件真空干燥12小时，制得亚胺键连接的荧光共价有机框架。
进一步地，步骤1)所述1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘和4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二醇的摩尔比为1:(2.0-3.0)。
进一步地，步骤1)所述1,4-二恶烷、苯甲醇、均三甲苯和乙酸溶液的体积比为(3.0-5.0):(3.0-5.0):(6.0-10.0):1；所述乙酸溶液的浓度为1-10M。
一种亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的检测应用，将所述亚胺键连接的荧光共价有机框架在N,N-二甲基乙酰胺中分散均匀，取一定量分散液加入至铀酰离子的溶液中，摇晃均匀，得到混合液。
进一步地，采用荧光分光光度计测试所述混合液的荧光信号：测得荧光信号与铀酰离子浓度在0-25μM范围内呈线性相关，对铀酰离子的检出限为8.8nM。
一种亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附应用，将所述亚胺键连接的荧光共价有机框架加入至浓度为10-300ppm铀酰离子的溶液中，恒温振荡12小时，所得混合溶液用0.22μm微孔滤膜过滤，收集滤液。
进一步地，采用电感耦合等离子体质谱测量所述滤液中剩余的铀酰离子含量，计算亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附容量，计算得出吸附容量为982.6mg/g。
进一步地，所述亚胺键连接的荧光共价有机框架具有良好的化学还原能力，能够将可溶性U(VI)还原为不溶性U(IV)。
进一步地，所述吸附容量通过以下公式计算：qe＝(C0－Ce)/m×V，V是混合液的体积，单位L；m是荧光共价有机框架的用量，单位g；C0是铀酰离子的初始浓度，单位mg/L；Ce是铀酰离子的平衡浓度，单位mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明制备的亚胺键连接的荧光共价有机框架的方法简单、结构稳定、环境友好、荧光特性强。
(2)本发明制备的亚胺键连接的荧光共价有机框架，一方面可选择性结合铀酰离子，另一方面还具有优异的荧光特性，与铀酰离子结合可使荧光信号减弱，据此建立了对铀酰离子的快速和灵敏检测方法。
(3)本发明制备的亚胺键连接的荧光共价有机框架具有良好的化学还原能力，将可溶性U(VI)化学还原为不溶性U(IV)，极大地提高了对铀酰离子的吸附容量，实现了对铀酰离子的高效吸附，具有良好的应用前景。
(4)揭示了本发明方法制备的亚胺键连接的荧光共价有机框架与铀酰离子之间的作用机理。
(5)本发明制备的亚胺键连接的荧光共价有机框架，与传统吸附剂相比，具有吸附容量大、可利用率高、选择性好等特点，有利于降低成本和环境绿色可持续发展。
附图说明
图1为TFPPy-BDOH的合成路线示意图。
图2为TFPPy、BDOH和TFPPy-BDOH的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)图。
图3中(a)为实验测得的TFPPy-BDOH的PXRD图谱；(b)为模拟(AA)堆叠结构的TFPPy-BDOH的PXRD图谱。
图4为TFPPy-BDOH对不同浓度铀酰离子的荧光响应图。
图5为TFPPy-BDOH对铀酰离子的吸附动力学图。
图6为TFPPy-BDOH对不同离子的选择性吸附图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备与表征
将1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘(TFPPy)(24.7mg，40μmol)和4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二醇(BDOH)(17.3mg，80μmol)装入20毫升Pyrex管中，再加入1,4-二恶烷(800μL)、苯甲醇(800μL)、均三甲苯(1334μL)和乙酸溶液(200μL，6M)；将悬浮液超声10分钟，然后在77K液氮浴中冷冻，经过三个冻泵-解冻循环脱气后，将管抽真空并火焰密封；将管置于烘箱中在120℃条件下加热72h，冷却至室温，过滤后收集固体产物，用四氢呋喃(THF)洗涤数次，抽干后得到固体，于80℃条件下真空干燥12h，制成亚胺键连接的荧光共价有机框架(TFPPy-BDOH)。
图1为亚胺键连接的荧光共价有机框架TFPPy-BDOH的合成路线示意图。
图2是TFPPy、BDOH和TFPPy-BDOH的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)图。由图2可见，TFPPy-BDOH在3355cm-1处的N-H特征峰消失，在1697cm-1处C＝O的特征峰大幅降低，并且在1600cm-1处出现了C＝N特征峰，表明两个单体高度缩合，成功合成了TFPPy-BDOH。
采用X射线粉末衍射图谱(PXRD)表征TFPPy-BDOH的结晶度。图3是实验测得的TFPPy-BDOH的PXRD图谱和模拟(AA)堆叠结构的TFPPy-BDOH的PXRD图谱。由图3a可见，实验测得的TFPPy-BDOH的PXRD图谱的2θ角在3.2°出现一个强衍射峰，在4.6°、6.4°、9.7°出现了三个弱衍射峰，分别对应于(110)、(020)、(220)和(330)晶面，实验测得的共价有机框架TFPPy-BDOH的PXRD图谱(图3a)与模拟(AA)堆叠结构的PXRD图谱(图3b)相匹配，表明采用本发明方法成功合成了高结晶度的亚胺键连接的荧光共价有机框架TFPPy-BDOH。
实施例2：TFPPy-BDOH对铀酰离子的检测
将TFPPy-BDOH配成0.025mg mL-1的N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)分散液，取360μL分散液，加入40μL不同浓度的铀酰离子，使铀酰离子的最终浓度为0-25μM，摇晃均匀后，采用荧光分光光度计测试在325nm激发波长条件下混合液的荧光信号。
图4为TFPPy-BDOH对不同浓度铀酰离子的荧光响应图。由图4可见，随着铀酰离子(UO2 2+)浓度的增加，TFPPy-BDOH的荧光信号逐渐下降，25μM的UO2 2+使得TFPPy-BDOH的荧光猝灭率达到90％以上。TFPPy-BDOH的荧光信号与UO2 2+浓度在0-25μM范围内呈线性，对UO2 2+的检出限为8.8nM。此外，TFPPy-BDOH对UO2 2+的荧光响应速度快(2秒)，比大多数现有材料的荧光响应更灵敏。例如，Lin等通过氧化石墨烯纳米复合材料比色法得到的铀检测限4.7μM及响应时间40分钟(X.Lin,D.Xuan,H.Liang,F.Xiao,F.Li,C.Liu,P.Fan,C.Hu,S.Yang,Y.Liu.Colorimetric detection uranyl ions based on the enhanced peroxidase-like activity by GO adsorption,J.Environ.Radioact.,2020,220-221,106299)，Roozbahani等通过肽介导的纳米孔材料电化学分析法得到的铀检测限10μM及响应时间10分钟(G.M.Roozbahani,X.Chen,Y.Zhang,R.Xie,R.Ma,D.Li,H.Li,X.Guan.Peptide-mediated nanopore detection of uranyl ions in aqueous media,ACS Sensors,2017,2,703-709)，Hua等通过CdTe量子点荧光探针荧光检测法得到的铀检测限7.88μM及响应时间2分钟(M.Hua,S.Yang,J.Ma,W.He,L.Kuang,D.Hua.Highly selective and sensitivedetermination of uranyl ion by the probe of CdTe quantum dot with a specificsize,Talanta,2018,190,278-283)。
实施例3：TFPPy-BDOH对铀的吸附能力
将5mg的TFPPy-BDOH加入到含10-300ppm铀酰离子的溶液中，在摇床中恒温振荡12h，取1mL悬浮液，用0.22μm微孔滤膜过滤，收集滤液，采用电感耦合等离子体质谱测量滤液中剩余的UO2 2+含量，最终计算得到TFPPy-BDOH对UO2 2+的吸附容量为982.6mg/g，比大多数现有材料的吸附量更高。例如，Liu等开发的羧基功能化锌MOF材料的吸附容量114.7mg/g(R.Liu,Z.-Q.Wang,Q.-Y.Liu,F.Luo,Y.-L.Wang.A zinc MOF with carboxylate oxygen-functionalized pore channels for uranium(VI)sorption,Eur.J.Inorg.Chem.,2019,735-739)，Sun等基于酰胺肟基COF材料的吸附容量408mg/g(Q.Sun,B.Aguila,L.D.Earl,C.W.Abney,L.Wojtas,P.K.Thallapally,S.Ma.Covalent organic frameworks as adecorating platform for utilization and affinity enhancement of chelatingsites for radionuclide sequestration,Adv.Mater.,2018,30,1705479)，Wang等基于磷酸盐配体的多孔芳香骨架材料的吸附容量147.6mg/g(T.Wang,M.Xu,X.Han,S.Yang,D.Hua.Petroleum pitch-based porous aromatic frameworks with phosphonateligand for efficient separation of uranium from radioactive effluents,J.Hazard.Mater.,2019,368,214-220)。吸附容量计算公式如下：qe＝(C0–Ce)/m×V，V是混合液的体积，单位L；m是荧光共价有机框架的用量，单位g；C0是UO2 2+的初始浓度，单位mg/L；Ce是UO2 2+的平衡浓度，单位mg/L。
图5为TFPPy-BDOH对铀酰离子的吸附动力学图。由图5可见，TFPPy-BDOH对UO2 2+的吸附量在60min内迅速增加到935.8mg/g，并在90min内即可达到吸附平衡容量(982.6mg/g)，这可归因于：一方面，TFPPy-BDOH以亚胺键作为连接单元，周围存在大量羟基官能团，亚胺键的氮原子和酚羟基的氧原子协同配位可选择性结合UO2 2+；另一方面，TFPPy-BDOH中的酚羟基还能将可溶性U(VI)化学还原为不溶性U(IV)，从而极大地提高对UO2 2+的吸附容量。实验结果符合准二级动力学模型，表明TFPPy-BDOH对UO2 2+的吸附主要是化学吸附。
图6为TFPPy-BDOH对不同离子的选择性吸附图。将5mg的TFPPy-BDOH加入到含1.2mM的UO2 2+以及4.8mM干扰离子(Na+,Ag+,Fe3+,Mg2+,Ca2+,Zn2+,Cu2+,Mn2+,Cr3+,Nd2+,Co2+,La3+,VO4 3-)的溶液中，在摇床中恒温震荡12h，取1mL悬浮液，用0.22μm微孔滤膜过滤，收集滤液，采用电感耦合等离子体质谱测量滤液中剩余的UO2 2+和干扰离子的含量，计算TFPPy-BDOH在常温下对UO2 2+和干扰离子的吸附容量。结果表明，TFPPy-BDOH对UO2 2+的吸附容量为982.6mg/g，而对其他干扰离子的吸附容量很低，表明TFPPy-BDOH对UO2 2+具有良好的选择性吸附能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘和4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二醇作为反应原料，向其中加入1,4-二恶烷、苯甲醇、均三甲苯和乙酸溶液，将混合溶液超声处理后得到反应混合溶液；
2)将反应混合溶液冷冻-解冻循环脱气并火焰密封，120℃条件下加热2-4天，冷却后过滤，取过滤后固体沉淀，用四氢呋喃洗涤数次后抽干，得到的固体80℃条件真空干燥12小时，制得亚胺键连接的荧光共价有机框架。
2.根据权利要求1所述一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法，其特征在于，步骤1)所述1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘和4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二醇的摩尔比为1:(2.0-3.0)。
3.根据权利要求1所述一种亚胺键连接的荧光共价有机框架的制备方法，其特征在于，步骤1)所述1,4-二恶烷、苯甲醇、均三甲苯和乙酸溶液的体积比为(3.0-5.0):(3.0-5.0):(6.0-10.0):1；所述乙酸溶液的浓度为1-10M。
4.如权利要求1-3任一项所述制备方法得到的亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的检测与吸附应用。
5.根据权利要求4所述亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的检测应用，其特征在于，将所述亚胺键连接的荧光共价有机框架在N,N-二甲基乙酰胺中分散均匀，取一定量分散液加入至铀酰离子的溶液中，摇晃均匀，得到混合液。
6.根据权利要求5所述亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的检测应用，其特征在于，采用荧光分光光度计测试所述混合液的荧光信号：测得荧光信号与铀酰离子浓度在0-25μM范围内呈线性相关，对铀酰离子的检出限为8.8nM。
7.根据权利要求4所述亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附应用，其特征在于，将所述亚胺键连接的荧光共价有机框架加入至浓度为10-300ppm铀酰离子的溶液中，恒温振荡12小时，所得混合溶液用0.22μm微孔滤膜过滤，收集滤液。
8.根据权利要求7所述亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附应用，其特征在于，采用电感耦合等离子体质谱测量所述滤液中剩余的铀酰离子含量，计算亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附容量，计算得出吸附容量为982.6mg/g。
9.根据权利要求8所述亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附应用，其特征在于，所述亚胺键连接的荧光共价有机框架具有良好的化学还原能力，能够将可溶性U(VI)还原为不溶性U(IV)。
10.根据权利要求8所述亚胺键连接的荧光共价有机框架对铀酰离子的吸附应用，其特征在于，所述吸附容量通过以下公式计算：qe＝(C0－Ce)/m×V，V是混合液的体积，单位L；m是荧光共价有机框架的用量，单位g；C0是铀酰离子的初始浓度，单位mg/L；Ce是铀酰离子的平衡浓度，单位mg/L。
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