翟茂林教授/石偉群研究員等CEJ：簡單易合成COF用於電子廢液中金的高效高選擇性回收
【文章資訊】
簡單易合成COF材料用於電子廢液中金的高效高選擇性回收
第一作者：鍾守超
通訊作者：袁立永*，翟茂林*，石偉群*
單位：北京大學，中國高能物理研究所
【研究背景】
金是最稀有、最珍貴的金屬之一。大量的金被用在手機等電子器件中。據不完全統計，40部手機中的金含量就與1噸礦石相當，因此從日益增加的電子垃圾中回收金對於金資源的高效利用至關重要。然而目前金吸附分離過程中所使用的吸附劑普遍對金吸附量低，選擇性差且速度慢，嚴重製約了其在實際工業化領域中的應用。本工作報道了一種結構簡單，易於合成，富含羥基的TzDa-COF材料從類比電子廢水中高效回收金。
由於TzDa-COF具有豐富的功能基團，較大的比表面積及規則的孔道，在不同條件下均展現出了對金優異的吸附效能。透過類比電子廢液的動態柱實驗證實了此材料在實際回收金中的應用潛力。配位和氧化還原而非離子交換的吸附機理進一步揭示了TzDa-COF對金高選擇性吸附的根源。本研究為金的回收提供了一種應用性強的高效吸附劑，同時也有助於加速COF材料在重金屬吸附分離領域中的實際應用。
【文章簡介】
近日，
北京大學翟茂林教授課題組與中國高能物理研究所石偉群研究員課題組
合作，在國際知名期刊
Chemical Engineering Journal
上發表題為
“Efficient and selective gold recovery from e-waste by simple and easily synthesized covalent organic framework”
的文章。該論文詳細探究了富含羥基的TzDa-COF材料在不同條件下對金的吸附行為，同時透過系統的表徵和理論計算詳細分析了了材料對金的吸附機理。
圖1。 TzDa-COF作為填充柱的對類比電子廢液中金的動態吸附效果以及吸附機理。
【本文要點】
要點一：COF材料結構最佳化
作為一種多孔晶態材料，COFs能夠將各種功能化的結構單元新增到高度有序的週期陣列中。文獻中已經透過複雜的預設計或後修飾合成了多種新型功能化的COFs，如硫醇功能化的COF、醯胺功能化的COF和具有多吸附位點的柔性COF用於金的回收。相比於已經報道的基於COF材料的金吸附劑，本工作採用的TzDa-COF結構簡單，易於合成，在吸附金的效能上也極具競爭力。TzDa-COF中的羥基官能團不僅充當金的吸附官能團，還透過與相鄰的亞胺氮原子形成分子內氫鍵提升了材料的結晶性，使得材料更易於合成，擁有更高的比表面積，從而表現出對金更快的吸附動力學。
要點二：COF吸附效能測試
靜態吸附實驗結果表明TzDa-COF擁有對金快速的吸附動力學、高的吸附容量、優異的吸附選擇性以及良好的吸附迴圈效能。詳細探究了pH對TzDa-COF吸附效能的影響，結果表明在3 M鹽酸的高酸度下材料對金的吸附效能仍未出現下降。將TzDa-COF作為填充柱，進行了回收類比電子廢液當中金的動態柱實驗，在3 mL/min的高流速下TzDa-COF填充柱仍能對類比電子廢液中的金進行完全回收，展示出了其在實際應用中的潛在價值。
要點三：COF吸附機理研究
透過對吸附金不同時間後的TzDa-COF進行IR、PXRD、XPS表徵，並結合理論計算，詳細探究了吸附機理。結果表明TzDa-COF主要透過配位以及氧化還原作用對金進行吸附，而非大多數金吸附材料的離子交換機理。機理的研究進一步揭示了TzDa-COF在高氯離子濃度下的對金保持高效高選擇性吸附的根源。對不同吸附時間的材料進行表徵的方法也為吸附機理研究提供了新的思路。
要點四：前瞻
當前COFs材料仍然存在著製備條件苛刻、原料較為昂貴等問題，因此降低COFs的製備門檻與成本是未來COFs研究的重要方向。本工作探究了COFs在金吸附方面實際應用的可能性，在鹽酸介質中TzDa-COF具有對Au（III）快速的吸附動力學、高的吸附容量和優異的選擇性，且TzDa-COF填充柱對類比電子廢液中Au（III）的回收率高達99%以上，展現出了實際應用的潛力。透過表徵和計算研究了TzDa-COF對於Au（III）的吸附機理，這有助於進一步瞭解材料的特性，也為之後新的金吸附材料設計提供了方向。COFs合成成本的進一步降低與大規模工業生產仍然有待進一步探索。
【文章連結】
Efficient and selective gold recovery from e-waste by simple and easily synthesized covalent organic framework
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140523
【通訊作者簡介】
翟茂林教授簡介：
北京大學化學與分子工程學院教授、博士生導師，應用化學系主任，中國核學會輻射研究與應用分會副理事長，北京核學會副理事長。1999年獲北京大學理學博士學位，2001-2002年獲日本學術振興會的資助在日本原子能研究所、東京大學從事博士後研究。長期從事輻射化學與材料領域的教學及科研工作，主持完成國家自然科學基金等專案30餘項，已培養碩士、博士及博士後50餘人，在
Chem、Adv Funct Mater、J Mater Chem A、Chem Eng J等
學術刊物上發表論文260餘篇（被引用7900餘次，H因子52），出版教材及專著11部，授權專利40餘項。榮獲北京大學教學優秀獎，北京大學優秀博士學位論文指導教師，中核集團及北京市科學技術獎等獎項。
袁立永研究員簡介：
中科院高能物理所研究員，博士生導師。2010年在北京大學取得博士學位，後在中科院高能物理所工作至今。研究方向為放化分離材料與技術、錒系離子的液液萃取分離與機理以及同步輻射技術等核技術手段在錒系環境放射化學中的應用等。在
Chem、CCS Chem.、Appl. Catal. B: Environ.、Chem. Commun. 等
國際知名期刊發表SCI 論文100餘篇，成果被國內外同行廣泛關注和引用， H因子40。2015年獲高能物理研究所“優秀青年人才基金”；2017年入選中國科學院青年創新促進會；2019年被遴選為中國化學會鈾元素代言人。
石偉群研究員簡介：
中科院高能物理所研究員，課題組長，博士生導師。2007年在清華大學取得博士學位，後在中科院高能物理所工作至今。長期致力於核燃料迴圈化學與錒系元素化學相關基礎研究，近年來創新性地將軟硬原子結合策略和超分子組裝策略應用於放射性廢液中錒系元素的分離與固定化，結合多尺度模擬發展了一種針對鑭錒分離最有效的萃取劑，製備了首例錒系聚輪烷和國內首例錼晶體化合物；發展了基於活性Al陰極熔鹽電解幹法處理乏燃料的新概念。
在
J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem、CCS Chem.、Nat. Commun、Adv. Mater.、Environ. Sci. Technol. 、Chem. Commun.等
國際知名期刊發表SCI 論文200餘篇，成果被國內外同行廣泛關注和引用， H因子42 （Google Scholar）。獲2019年國家傑出青年科學基金資助。分別擔任期刊《Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology》和《Journal of Nuclear Science and Technology》的編委與國際顧問編委，中文期刊《核化學與放射化學》編委。現為中國化學會核化學與放射化學分會常務理事、中國核學會錒系物理與化學分會常務理事、中國有色金屬學會熔鹽化學與技術專業委員會副主任委員、中國核學會核化工分會理事兼副秘書長。
【第一作者介紹】：
鍾守超
，男，1995年出生，2018年6月於北京大學獲學士學位，目前為北京大學博士研究生，主要研究方向為功能共價有機框架材料在分離金屬離子方面的應用
