《Inorganic Chemistry Communications》：UiO-66 (Zr-MOF): adsorption and sensing of pollutants
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金属有机框架材料UiO-66在气体、重金属及有机污染物的传感检测中展现出高稳定性与多功能性，通过表面功能化、复合材料设计提升灵敏度与选择性，同时面临规模化应用和长期稳定性挑战，未来可拓展至实时环境监测与工业过程控制。
Bastian Achen | Mehran Goldstanian
无机化学研究所，基尔克里斯蒂安-阿尔布雷希茨大学，Max-Eyth-Stra?e 2，24118 基尔，德国
摘要
金属有机框架（MOFs）因其卓越的结构可调性、高表面积以及在气体储存、催化和环境监测等领域的广泛应用而受到广泛关注。在各种MOFs中，UiO-66是一种基于锆的框架，以其出色的稳定性、高孔隙率和多功能化潜力而脱颖而出。本文综述了UiO-66在传感技术和污染物检测中的应用，特别是在环境和工业环境中。我们探讨了其作为高效传感器材料用于检测气体（如CO?、NO?、NH?）、重金属（如Pb2?、Cd2?）和有机污染物的能力，并对其检测机制（如荧光和电化学响应）进行了分析。此外，还探讨了通过表面功能化、与其他材料的杂化以及结合光学和电化学技术来提高基于UiO-66的传感器灵敏度和选择性的各种策略。同时，讨论了与UiO-66传感器的可扩展性、稳定性和重复使用性相关的挑战，以及在未来实时环境监测和工业过程中改进其实际应用的潜力。本文强调了UiO-66作为开发下一代智能传感系统的有前途材料的潜力，旨在确保环境安全和公共健康。
引言
金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子或簇通过有机配体连接而成的高度多孔材料，形成扩展的三维网络[1]，[2]。MOFs的结构多样性来源于可使用的多种金属节点（如Zn2?、Zr??、Cu2?和Co2?）和有机连接剂（包括羧酸盐、咪唑酸盐和膦酸盐）[3]，[4]，[5]。这种灵活性使得可以调整其孔径大小、表面积和化学环境，使其成为各种应用的理想候选材料[6]，[7]。它们的高表面积和大孔体积（通常超过1000 m2/g）提供了显著的吸附能力[8]，这对于气体储存[9]、分离和诊断[11]应用尤为宝贵[12]，[13]，[14]。此外，MOFs可以通过合成后的修饰或引入特定配体来轻松功能化，从而提高其选择性和反应性[15]，[16]。能够整合多种金属离子和有机成分使MOFs展现出广泛的物理、化学和机械性能[17]，例如在恶劣条件下的稳定性[18]、抗菌性[22]、[23]、杀虫性[25]、[26]、催化活性[27]、抗癌性[28]、[29]以及可调的电子性能[30]。这些特性推动了MOFs在储存[31]、催化[32]和环境传感等领域的应用，它们被用于从CO?捕获[33]、[34]和氢储存到污染物检测和废水处理[35]、[36]等各种任务。
UiO-66是一种基于锆的金属有机框架（MOF），由于其卓越的结构稳定性和在广泛应用中的多功能性而受到广泛关注。它由Zr?O?簇通过对苯二甲酸（BDC）配体连接而成，形成高度多孔的晶体结构。UiO-66具有高表面积（高达约1200 m2/g）、大孔体积和可调的孔径大小，使其特别适用于气体储存、分离和传感。UiO-66的一个关键优势是其显著的化学和热稳定性，使其能够在潮湿[37]、高温以及酸性或碱性环境中保持结构完整性。这种卓越的稳定性归因于锆金属簇与有机连接剂之间的强配位作用，从而形成了一个抗结构坍塌的坚固框架。此外，通过对其孔表面的功能化，可以增强其在特定应用中的选择性和反应性[38]。由于其独特的稳定性和化学可调性组合，UiO-66在多种领域得到了广泛应用，包括气体捕获[39]、[40]、[41]和储存、催化[42]、[43]以及环境传感，在这些领域中，它被用作检测和去除污染物（如挥发性有机化合物（VOCs）和重金属[44]、[45]、[46]的有前途的材料。
凭借其高表面积、可调的孔结构和卓越的稳定性，UiO-66已成为传感应用的有前途候选材料，特别是在检测人类[47]和[48]环境污染物方面。它能够吸附并选择性地与各种气体和有毒物质相互作用，使其成为开发先进传感器的理想材料。在气体传感中，由于其较大的表面积和可调的孔径大小，UiO-66可以有效检测多种污染物，包括二氧化碳（CO?）[49]、[50]、[51]、二氧化氮（NO?）[52]、氨（NH?）[53]、[54]和挥发性有机化合物（VOCs）。此外，通过在其表面引入特定化学基团进行功能化，可以提高其对目标分子的选择性，从而实现即使在低浓度下也能实现高灵敏度和准确的检测。通过使用特定连接剂或金属中心对UiO-66进行修饰，可以开发出能够检测特定污染物的传感器，从而扩展其在环境监测和工业应用中的潜力[55]。
基于UiO-66的传感器在环境监测中的重要性不容忽视。随着人们对空气污染及其对公共健康影响的关注日益增加，实时监测空气中的污染物变得越来越关键[56]。在城市地区和工业区，使用UiO-66传感器检测二氧化氮（NO?）和氨（NH?）等气体尤为重要，因为这些污染物可能对健康产生严重影响[57]，[58]，[59]。UiO-66的多孔性质使其能够有效吸附这些气体，其稳定性确保了长期运行而不会降解[60]。此外，UiO-66可以集成到便携式和低成本的传感器设备中，适用于广泛的环境监测系统。这种适应性对于减轻污染的影响至关重要[61]，[62]，因为它能够实时检测有害气体，为监管机构和公共卫生部门提供重要数据[63]。
除了其环境意义外，基于UiO-66的传感器在工业过程中也发挥着关键作用，其中检测特定污染物对于确保产品质量和安全至关重要。例如，在化学制造和食品加工行业中，UiO-66传感器可以检测有害气体或副产品，从而及时干预并防止有毒排放。此外，检测工业废水中的重金属和其他污染物有助于遵守环境法规，并避免水源污染。随着工业操作变得越来越复杂，对能够在恶劣条件下运行的高效、经济型传感器的需求也在增加。UiO-66凭借其出色的稳定性，非常适合此类应用，即使在具有挑战性的环境中也能提供高性能和可靠性[64]。
章节摘录
UiO-66的历史、结构和化学性质
UiO-66的原始发明者和开发者是挪威奥斯陆大学（UiO）Karl Petter Lillerud教授领导的研究小组。介绍这种材料的基础论文发表于2008年[65]。名称“UiO”是奥斯陆大学（Universitetet i Oslo）的缩写。UiO-66的晶体结构以其由对苯二甲酸（BDC）连接剂连接的Zr?O?簇组成的坚固三维框架为特征（见图1）。
UiO-66在气体传感和环境污染物检测中的应用
由于其卓越的稳定性、可调的孔隙率和高表面积，UiO-66已成为气体传感和环境污染物检测领域的领先材料。根据已发表的论文，其应用范围从工业安全到医学诊断[113]，[114]，[115]。通过定制的功能化和其固有的多孔结构，UiO-66在检测多种气体方面表现出显著的多功能性[113]，[114]，[115]，[116]，例如有毒工业气体[116]，[117]，[118]，如氨[116]。
UiO-66在重金属和有机污染物检测中的应用
UiO-66及其工程变体已成为集成检测和去除受污染水和空气流中的无机重金属离子（如Pb2?、Cd2?、Hg2?）和复杂有机污染物的首要多功能平台[136]，[137]。其有效性基于其典型结构的高度可调表面化学和孔环境，该结构由Zr?O?(OH)?氧簇节点通过1,4-苯二甲酸（BDC）连接剂连接而成。
污染物检测机制
基于UiO-66的传感器对污染物的检测依赖于一系列特定的分子相互作用，这些相互作用将分析物的存在转化为可测量的信号[147]。这些相互作用高度依赖于UiO-66的固有化学性质和目标污染物的性质[148]，[149]。
环境监测
基于UiO-66的传感器由于其在实时环境监测中的卓越稳定性、可调性和多功能性而具有变革潜力，使它们能够在实际条件下以高特异性、灵敏度和耐用性解决空气和水污染物的检测问题[164]。根据最近的研究，基于UiO-66的传感器性能因设计、目标分析物和传感方法的不同而有所差异。
实际应用中的优势
与许多MOFs不同，UiO-66在潮湿环境、弱酸和高达400°C的温度下仍能保持结构完整性，这对于户外和工业应用至关重要。合成后的修饰可以针对特定污染物进行定制，减少在复杂基质（如废水或城市空气）中的交叉敏感性和假阳性。传感器可以设计为提供光学（比色/荧光）、电学（电阻/阻抗）或重量（QCM）信号，从而实现兼容性
虽然UiO-66具有水稳定性，但长时间或循环湿度暴露会导致特定的降解途径
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Zr-O键的水解降解：在水或高湿度环境中，尤其是在酸性或碱性条件下，水分子会攻击锆簇和有机连接剂之间的配位键。尽管这一过程动力学较慢，但会导致连接剂逐渐脱落并最终导致结构崩塌。
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竞争性吸附和孔堵塞：水蒸气可能会在孔中与目标分析物竞争吸附位点，从而降低传感灵敏度
UiO-66的未来展望
基于UiO-66的平台由于其无与伦比的化学可调性和多功能设计，将在应对下一代环境威胁中发挥关键作用。未来的应用将超越传统污染物，针对复杂的、持久的和生物活性的新兴污染物（ECs），需要前所未有的灵敏度、选择性和智能功能。
微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）代表了分析上的重大挑战
结论
总之，本综述强调了UiO-66作为下一代环境传感核心材料的卓越多功能性和巨大潜力。其卓越的结构稳定性、可调的孔隙率和易于功能化使其能够选择性地检测并同时去除从气体污染物[202]，[203]到水中的重金属[204]，[205]、药品和农药等各种污染物。该材料的有效性源于其定制
CRediT作者贡献声明
Bastian Achen：资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Mehran Golstanian：验证、软件、资源、项目管理、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
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