金属有机框架PCN-224功能化修饰及其铀吸附性能研究
摘要
近年来，铀作为生产核武器装料、核反应堆燃料和其他裂变产物的原材料，得到了
广泛的关注。含铀物质进入水体中会对自然环境和人类健康造成危害。为了保护环境和
人类健康，需要对铀污染进行有效地处理。吸附法具有性价比高、效率高、应用范围广
和操作简单的优点，是处理水体中铀污染一种可行的方法。但传统铀吸附材料吸附容量
低、选择性差且再生困难。因此，开发一种吸附容量高、选择性强和可回收的铀吸附材
料对资源利用和环境保护具有重大意义。本论文以具有较大孔径和开放式孔道结构的金
属有机框架PCN-224为研究对象，通过基团改性的策略进行高效铀吸附材料的制备。
本文通过溶剂热法，以四氯化锆、四（4-羧基苯基）卟吩和苯甲酸制备了金属有机
框架PCN-224。利用羟基亚乙基二膦酸（HEDP）作为磷酸功能化试剂对PCN-224进行
功能化修饰，产物记为PCN-224-HEDP。利用FT-IR、XRD、SEM、TEM、TGA、BET
和XPS对产物进行表征，表明材料的成功制备。根据表征结果可以看出，经磷酸功能
化修饰后的PCN-224-HEDP依然保持规整的晶体结构。比表面积与孔径略有降低，这是
由于孔道内部接枝了大量的磷酸官能团。对PCN-224-HEDP进行水溶液中铀吸附性能研
究，其最大吸附容量为295mg·g-1。通过对PCN-224-HEDP的动力学和热力学研究，其
吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力学模型，证明其吸附过程为单分子层和化学
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吸附。吸附过程的ΔG＜0和ΔH＞0说明吸附铀离子的过程是一个自发吸热过程。ΔS
＞0说明吸附剂的固液界面由有序性变为无序性。
以八水氯氧化锆、四（4-羧基苯基）卟吩、苯甲酸和氨甲基膦酸通过一锅法制备氨
基化金属有机框架，进一步通过氰基和偕胺肟基改性反应，成功制备了富含偕胺肟基团
的PCN-224-AO。利用FT-IR、XRD、SEM、TEM、TGA、BET和XPS对产物进行表
征，表明材料的成功制备。偕胺肟化后PCN-224-AO依然保持规整的晶体结构，且比表
面积与孔径略有降低。对PCN-224-AO进行水溶液中铀吸附性能研究，其最大吸附容量
为324mg·g-1，且在共存竞争离子存在下仍对铀离子具有较高的选择性吸附能力。通过
对PCN-224-AO的动力学和热力学研究，其吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力
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学模型，证明其吸附过程为单分子层和化学吸附。吸附过程的ΔG＜0、ΔH＞0和ΔS
＞0说明吸附过程是一个自发吸热和有序到无序的过程。
关键词：吸附材料；铀离子；金属有机框架；磷酸基；偕胺肟基
金属有机框架PCN-224功能化修饰及其铀吸附性能研究
ABSTRACT
Inrecentyears,uraniumhasgainedwidespreadattentionasarawmaterialforthe
productionofnuclearweaponscharges,nuclearreactorfuelandotherfissionproducts.The
entryofuranium-containingsubstancesintowatercanbeharmfultothenaturalenvironment
andhumanhealth.Inordertoprotecttheenvironmentandhumanhealth,uranium
contaminationneedstobetreatedeffectively.Adsorptionisafeasible