Unlocking the Tertiary Nitrogen Effect in 3D Anisotropic Covalent Organic Frameworks to Achieve Record Iodine Capture under Industrial Conditions

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作者
Yuanzhe Jia,Liecheng Guo,Haifeng Zhang,Haoran Chu,Han Ren,Yuting Yang,Mian Li,Lele Gong,Bohan Yang,Feng Luo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c14098
摘要

Abstract Using porous adsorbents to achieve efficient capture of radioactive iodine from nuclear waste under industrial conditions remains a formidable challenge, since most adsorbents just exhibit a low iodine uptake under such conditions. We herein show two 3D [8 + 4]-assembled covalent organic frameworks (COFs, ECUT-COF-99 and ECUT-COF-100) for this challenging target. The two COFs feature a minimal-transitivity [3 4] flu-derived net, which allows anisotropic isoreticular expansion through a general sequential derived-net approach. ECUT-COF-100 was found to give an ultrahigh iodine uptake of 1.51 g/g under simulated industrial conditions (150 °C and 150 ppmv I2), 5.2-fold that of ECUT-COF-99 (0.29 g/g). Such performance also far exceeds all established organic adsorbents for this use. Mechanism studies reveal that nonaromatic tertiary nitrogen atoms allow for strong charge transfer from the lone-pair electrons of tertiary nitrogen to I2, leading to the formation of ionic iodides (I3– and I5–) and the N·+ radical cation and then fixing of ionic iodides by Coulomb interactions. This work not only provides a promising adsorbent with record iodine uptake for radioactive iodine capture from nuclear waste but also highlights a new insight into the tertiary nitrogen effect in 3D COFs for efficient iodine capture.
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