2024年2月22日，《美国化学会志》（JACS）刊发我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术全国重点实验室池小东教授团队的研究论文“水相中高效去除全氟辛酸的氟化非多孔孔自适应有机笼”（Fluorinated Nonporous Adaptive Cages for the Efficient Removal of Perfluorooctanoic Acid from Aqueous Source Phases）。该论文报道了一种具有良好热稳定性、易于规模制备的氟化非多孔自适应有机笼材料。通过调控有机笼内全氟辛酸吸附位点，该材料展现出了高效的全氟辛酸去除效率，进一步推动其实际应用。
随着科技的进步和人们生活水平的提高，环境污染问题日益严重。针对污染控制和化学污染物的消除，已成为关系国民经济可持续发展的全球性难题。全氟化合物作为一类广泛分布的含氟有机化合物，如全氟辛基硫醚（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）等，被广泛应用于石油化工、生物医药、食品包装、皮革材料等产品中。然而，由于其不可生物降解性和环境持久性，这些化合物在水体中持续积累，对环境和人类健康构成严重威胁。吸附被认为是净化污染水源是最为有效的方法之一。然而，传统的PFASs的吸附分离方法存在吸附效率低、负载量小、重复再生性差等问题。因此设计合成具有强选择性键合能力的受体，以实现对PFASs的特异性高效吸附对生态污染的治理和人类健康具有重要意义。
为了解决上述问题，池小东教授团队在前期非多孔自适应晶体材料的研究基础上（JACS, 2021, 143, 18849；JACS, 2022, 144, 133；Chem, 2023, 9, 93），首次构筑了新型氟化非多孔自适应超分子有机笼F-cage，并研究了F-cage对全氟辛酸污染物PFOA的吸附分离性能。
研究发现通过三次流动吸附可将PFOA浓度从最初的1500 ppt降低至6 ppt，远低于US EPA（美国环保署）2016年设定阈值(70 ppt)，接近2023年新设定的阈值（4 ppt）。通过吸附动力学模型计算得到F-cage对PFOA的二阶速率常数kobs值高达441000 g mg−1h−1，并通过Langmuir和Freundlich吸附等温线模型拟合计算得到其对PFOA的最大吸附容量Qm为45 mg g−1（图1）。
图1 (a) F-Cage对PFOA吸附曲线图；(b) F-Cage对PFOA的吸附动力学；(c) 水中吸附PFOA的流动相DIY装置图；
(d) PFOA通过F-Cage流动相吸附实验；(e) F-Cage 材料的再生示意图；(f) F-Cage 对PFOA的循环吸附
通过单晶结构以及DFT计算发现F-cage与PFOA之间通过静电作用、氢键作用和F−F作用的协同作用实现PFOA的高效吸附（图3）。同时该材料可通过饱和NaCl MeOH溶液清洗实现材料的循环使用（图2）。总的来说，这一基于氟化有机笼自适应识别和组装的超分子策略对污水中全氟污染物的高效吸附分离展现出了较为广阔的应用前景。
图2 (a) F-Cage 、PFOA和PFOA@F-Cage2能带图；(b) 优化后的分子结构PFOA@F-Cage及静电电位(ESP)图；
(c) F-Cage 2；(d) PFOA；(e) PFOA@F-Cage
我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为论文第一完成单位及第一通讯单位，2021级博士生贺艳蕾为论文第一作者，我校池小东教授、美国德州大学奥斯汀分校JonathanSessler为论文通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等资金的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c14213
