白璞在《Angew》上发表文章：新型阳离子骨架羟基氧化铝高效脱除水体含氧酸根污染物

阳离子骨架材料是指主体骨架带正电，骨架内存在弱配位的阴离子作为抗衡离子平衡骨架正电荷的材料。阳离子骨架材料由于其骨架结构中阴离子的可交换性，被认为是去除环境中含氧酸根阴离子污染物的有效材料之一。结晶型无机阳离子骨架材料通常表现出较高的热稳定性和水解稳定性，并且合成成本低，在吸附分离、阴离子交换、催化等领域都具有良好的应用前景。

然而，自然界中存在的大多数无机材料骨架呈中性或负电性（例如沸石分子筛），无机阳离子骨架材料的数量和结构类型都非常有限。层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides，LDHs，又称水滑石类材料）是最典型的无机阳离子骨架材料，然而传统LDHs材料在脱除水体阴离子污染物时存在对CO₃^2-亲和能力强、吸附速度慢、吸附前需要预先高温焙烧处理等缺点。其它非LDHs型无机阳离子骨架材料主要包括层状稀土氢氧化物、层状金属氟化物、层状羟基氧化物、层状氢氧化物盐等，其中绝大多数对含氧酸根污染物亦有一定的脱除效果。然而，这些材料由稀土元素、重金属元素甚至放射性元素构成，严重限制了其实际应用。开发低成本、环境友好、性能更优的新型无机阳离子骨架具有十分重要的意义，同时充满了巨大的挑战。

2020年5月，博士生白璞作为第一作者在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上发表题为“A Layered Cationic Aluminum Oxyhydroxide Emerging as a New Type of Highly Efficient and Selective Trap for Heavy Metal Oxyanions”的研究工作。此工作中，在具有阳离子骨架特点的硼铝酸盐合成体系中，经系统优化合成条件获得了一种新型的层状阳离子骨架羟基氧化铝，其分子式为Al₃O_2.5(OH)_3.5Cl_0.5·0.9H₂O，命名为JU-111。通过三维衍射电子重构（3D EDT）与粉末X射线衍射精修相结合成功解析出了JU-111的晶体结构，JU-111由带正电荷的层板[Al₃O_2.5(OH)_3.5]^0.5+和平衡层板正电荷的Cl^-组成。JU-111热稳定性优于传统LDHs类材料；可在pH=1-11的水体里稳定存在，展现出良好的水解稳定性。对Cr(VI)吸附实验研究结果表明，JU-111在吸附速度和吸附容量上均优于传统的阴离子交换树脂、LDHs和绝大多数阳离子骨架MOFs。此外，由于JU-111独特的酸/碱缓冲能力，即使在CO₃^2-严重过量和较宽的pH区间内对Cr(VI)仍保持优良的脱除效率。JU-111对低浓度含Cr(VI)溶液具有非常优异的深度脱除性能，可将初始Cr(VI)一次性脱至0.05 mg/L以下，达到WHO饮用水标准。此外，我们将JU-111应用于水体其他含氧酸根阴离子污染物的脱除，例如SeO₄^2-、MoO₄^2-、H₂PO₄^-和VO₄^3-等，同样展现出优异性能。对吸附Cr(VI)前后的固体样品的一系列表征结果表明，其吸附机制是Cr(VI)以HCrO₄^-形式与JU-111骨架中的Cl^-发生阴离子交换，且JU-111骨架中的Cl^-可以被HCrO₄^-完全交换出来。该材料廉价易得、合成过程简单、环境友好、使用前无需任何改性处理，具有良好的研究和实际应用前景。

相关的研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition（doi.10.1002/anie.202005878）杂志上，第一作者为吉林大学博士生白璞和上海科技大学硕士生董卓雅。通讯作者为吉林大学闫文付教授和于吉红院士。