Multivariate Covalent Organic Frameworks for High‐Performance Ammonia Nitrogen Separation: Structure‐Property‐Function Relationships

吸附 共价键 化学 动力学 共价有机骨架 氢键 化学工程 离子交换 无机化学 结晶度 离子 有机化学 分子 结晶学 工程类 物理 量子力学
作者
Yunhui Zhang,Jing-Lin Liu,Tao Wang,Kean Zhu,Yifan Gu,Zi-Hao Wang,Meng Zhang,Zijian Xu,Zhenhua Chen,Haitao Li,Wei Jin
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:12 (25): e2501173-e2501173 被引量:2
标识
DOI:10.1002/advs.202501173
摘要

Adsorption-based separation of cationic pollutants, typically ammonia nitrogen (NH4 +-N), from water holds great potential for environmental decontamination and resource recycling. However, NH4 + is more challenging to adsorb than other cations due to its stable structure and relatively large ionic radius. In this study, a "multivariate" synthetic strategy is applied to construct covalent channels through rational encoding sulfonic acid groups to enhance NH4 + adsorption and to investigate the structure-property-function relationships of sulfonated covalent organic frameworks (COFs). The optimal sulfonic acid group density is 50%, with an adsorption capacity of 17.09 mg g-1 and an equilibrium time of 5 min, far surpassing most adsorbents. The crystallinity of COFs significantly enhances both adsorption capacity and kinetics. Surface area and hydrophilicity primarily increaseadsorption capacity, with minimal influence on kinetics. In contrast, a large pore size correlates negatively with adsorption capacity but facilitates kinetics. N K-edge near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy validates atomic-level adsorption mechanisms of ion exchange between NH4 + and Na+ at the -SO3Na site and the formation of hydrogen bonds (N─H─N and N─H─O) between H of NH4 + and pyrrolic N as well as O of carbonyl on COFs. This study provides directions for designing ultrafast and high-capacity adsorbents for cation capture.
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