Construction of a Cationic Pyridinium-Based Covalent Triazine Framework for Ultra-fast and Efficient Iodine Adsorption

阳离子聚合 吡啶 共价键 吸附 三嗪 化学 密度泛函理论 化学工程 聚合 高分子化学 无机化学 有机化学 物理化学 计算化学 工程类 聚合物
作者
Yuliang Zhao,Wenjuan Xue,Zefeng Jiang,Dong Liu,Chuangang Hu,Hongliang Huang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (17): 6741-6751 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c00787
摘要

Effective adsorption of radioactive iodine (I2) contaminants is important for environmental protection; previous works usually focused on high adsorption capacity but often ignored the adsorption rate. Here, we successfully prepare two novel cationic covalent triazine frameworks (CCTFs) with affluent pyridine cation sites under high-temperature polymerization conditions, which have ultra-high stability, high surface area, and a large electrostatic potential gradient. The synthesized CCTFs at the adjusted reaction temperature (CTF-BPMs: CTF-BPM-400 and CTF-BPM-500) have a super-fast I2 vapor adsorption rate, and the K80% (the ratio of 80% of saturated adsorption to the corresponding adsorption time) values of CTF-BPM-400 and CTF-BPM-500 are 5.94 and 3.85 g g–1 h–1, respectively, which are larger than those of any reported porous materials. Furthermore, CTF-BPM-500 can remove 99.9% of the I2 contaminant in a high-concentration I2/hexane solution (260 mg L–1) within 0.5 min, showing amazing adsorption rate and removal efficiency. The combined experimental characterization and theoretical density functional theory calculations clearly reveal the I2 capture mechanism. The abundant electron-rich triazine units and the large electrostatic potential gradient in CTF-BPMs are more conducive to inducing electron-deficient I2 molecules to form polyiodide anions (I3– and I5–), and then strong Coulombic interactions form between the abundant pyridinium cation sites of CTF-BPMs and the polyiodide anions, which significantly improve the I2 adsorption rate and removal efficiency. In addition, the high physicochemical stability makes CTF-BPMs exhibit very excellent I2 adsorption cycle capacity, which highlights their great potential in practical applications.
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