近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所質(zhì)量與安全課題組通過精準(zhǔn)調(diào)控鎳鐵摩爾比（Ni/Fe）設(shè)計出系列雙金屬有機框架（MOFs）材料，實現(xiàn)對一元和二元混合有機染料的快速高效選擇性吸附去除，為農(nóng)業(yè)面源染料污染治理提供了創(chuàng)新解決方案，相關(guān)研究成果以“Analysis of microstructure properties of Ni-Fe MOFs and their influence on selective recognition of single and binary dye systems”為題發(fā)表于《npj Clean Water》（IF= 10.5, Q1）。

       種植養(yǎng)殖業(yè)及農(nóng)村生活廢水中的農(nóng)藥、重金屬、有機染料等污染物對水環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)吸附材料（活性炭、硅膠等）因吸附容量低、選擇性差及再生困難，難以滿足復(fù)雜污染體系的治理需求。盡管金屬有機框架（MOFs）具有其高比表面積和可調(diào)孔隙等優(yōu)點，但單金屬MOFs在復(fù)雜廢水體系中的選擇性與穩(wěn)定性仍顯不足，雙金屬MOFs通過組分間的協(xié)同效應(yīng)為突破這一瓶頸提供了新思路。

圖1不同材料的制備示意圖

       基于此，本研究采用一鍋法溶劑熱合成策略，通過改變Ni/Fe摩爾比制備了五種MOFs材料：Fe-MOFs、Ni-MOFs、Ni/Fe（3:1）MOFs、Ni/Fe（1:1）MOFs和Ni/Fe（1:3）MOFs。通過掃描電鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）和氮氣吸附-脫附（BET）等表征手段系統(tǒng)分析了材料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形貌及組成。結(jié)果表明，Ni/Fe比值對MOFs的微觀結(jié)構(gòu)和吸附性能有顯著影響。隨著molar ratio of Ni/Fe比例增加，五種材料的結(jié)構(gòu)由納米球狀_{（Fe-MOFs）}變成納米花狀_{（Ni/Fe MOFs）}再變成棱形塊狀_{（Ni-MOFs）}，比表面積由281.3m2/g_{（Fe-MOFs）}減小至67.11m2/g_{（Ni/Fe(1:1)MOFs）}再減小至0.5369m2/g_{（Ni-MOFs）}。XPS和FT-IR分析證實，Ni2?與Fe2?/Fe3?通過協(xié)同配位形成穩(wěn)定雙金屬簇，其表面電荷和官能團分布可通過比例精準(zhǔn)調(diào)控。通過將五種MOFs材料分別吸附八種典型染料，不同材料對不同染料也表現(xiàn)出選擇性吸附，篩選出3組吸附模型深入研究。

圖2不同材料的FT-IR (a)、XRD (b)、TG-DSC (c)和XPS (d)圖譜

       機制研究表明，F(xiàn)e-MOFs依賴表面Fe3?正電荷（Zeta電位-6.71 mV）與染料的靜電作用；Ni-MOFs通過微孔尺寸排阻（孔徑從44.78 nm降至17.61 nm）增強選擇性；雙金屬材料則利用Ni-Fe-O簇的氧化還原活性位點實現(xiàn)化學(xué)鍵合。值得注意的是，與單一體系相比，在二元染料體系中，F(xiàn)e-MOFs對EY和AF的吸附率表現(xiàn)出競爭吸附現(xiàn)象，Ni-MOFs對NR和MG的吸附率表現(xiàn)出協(xié)同吸附現(xiàn)象，Ni/Fe (1:1) MOFs對AF和PB的吸附率表現(xiàn)出競爭吸附現(xiàn)象，進一步驗證了結(jié)構(gòu)調(diào)控對吸附行為的影響。在實際應(yīng)用和再生實驗中，這些MOFs在含高濃度Na?/K?/Cl?（50 mg/L）的模擬廢水中去除率僅下降2%~5%；在2種環(huán)境水樣和6種果蔬汁中，對染料去除率分別維持在91.5%和72.8%以上；Ni-MOFs和Ni/Fe（1:1）MOFs經(jīng)5次循環(huán)后效率仍超90%，而Fe-MOFs因脫附不完全降至50%，表現(xiàn)出優(yōu)異的可重復(fù)使用性和抗干擾性。本研究通過調(diào)控Ni/Fe摩爾比，實現(xiàn)了雙金屬MOFs在5分鐘內(nèi)完成超快、高容量、高選擇性染料吸附，為農(nóng)業(yè)面源染料污染的高效治理、保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供了新的研究思路和技術(shù)支撐。

圖3 不同材料在二元體系染料中的吸附效率

注：在EY/AF體系中，F(xiàn)e-MOFs對EY吸附效率（a），對AF吸附效率（b）；在NR/MG體系中，Ni-MOFs對NR吸附效率（c），對MG吸附效率（d）；在AF/PB體系中，Ni/Fe (1:1) MOFs對AF吸附效率（e），對PB吸附效率（f）。

圖4 不同材料的實際樣品應(yīng)用(a-c)和重復(fù)利用(d)的性能

注：(a)實際樣品中Fe-MOFs吸附EY； (b)實際樣品中Ni-MOFs對NR的吸附； (c)實際樣品中Ni/Fe (1:1) MOFs吸附AF； (d)不同材料的重復(fù)利用。

       中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所為論文第一完成單位，已畢業(yè)碩士徐丹（煙臺大學(xué)聯(lián)培）、曹曉林副教授（煙臺大學(xué)）和已畢業(yè)博士周杰為共同第一作者，劉廣洋研究員、王靜教授（質(zhì)標(biāo)所）和徐東輝研究員為共同通訊作者。該研究依托于蔬菜生物育種全國重點實驗室、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜質(zhì)量安全控制重點實驗室開展，獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、北京市面上基金和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程等項目的資助。

原文鏈接： https://link.springer.com/article/10.1038/s41545-025-00470-6