核能作為清潔、高效的能源形式，在滿足全球日益增長的能源需求以及實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)過程中起到重要作用。核燃料后處理以及核事故產(chǎn)生的揮發(fā)性和放射性碘同位素（I

129

、I

131

）對(duì)環(huán)境和人類健康造成巨大危害。因此，亟需開發(fā)出易于制備、可靠性好且具有較高結(jié)合力和吸附量的碘吸附材料。 近日，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫慶福課題組，在咪唑鎓基有機(jī)分子籠碘吸附研究取得進(jìn)展。研究通過一鍋法高效合成了六價(jià)陽離子型咪唑鎓基共價(jià)分子籠，通過陰離子置換得到具有不同抗衡離子的分子籠材料（Cage·X, X = Cl

-

, Br

-

, I

-

, PF

6

-

）。碘吸附實(shí)驗(yàn)首次揭示了抗衡離子在材料碘吸附性能中的關(guān)鍵的調(diào)控作用。其中，Cage·Cl表現(xiàn)出超高的碘蒸氣吸附能力（5.89 g g

-1

, 348 K），而在碘的正己烷溶液中Cage·I表現(xiàn)出超快的碘去除能力（> 99% in 5 min），Cage·PF

6

則可以快速地吸附水相中的碘（> 99% in?1?min）。不同的碘吸附行為可以歸因于不同抗衡離子的鹵鍵受體能力和分子量的差異。研究通過單晶X射線衍射，在分子水平揭示了分子籠的碘結(jié)合模式：碘分子與鹵離子通過鹵鍵形成多碘陰離子，多碘陰離子通過氫鍵、鹵鍵、陰離子···π以及靜電作用等多重非共價(jià)相互作用固定在分子籠內(nèi)部空腔及其網(wǎng)絡(luò)之間。 與多數(shù)報(bào)道的電中性吸附劑不同，本工作合成的六價(jià)陽離子型咪唑鎓有機(jī)籠具有構(gòu)象自適應(yīng)性、多孔性以及豐富的電荷密度和多個(gè)非共價(jià)結(jié)合位點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的碘吸附能力。本研究在分子水平上揭示了非共價(jià)相互作用對(duì)分子識(shí)別與分離性能的調(diào)控規(guī)律，拓展了咪唑鎓基分子籠的應(yīng)用，并為高效碘吸附材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)成果近期發(fā)表在《自然-通訊》（

Nature Communications

）上。

多重非共價(jià)相互作用調(diào)控的高效碘吸附

開發(fā)有效的吸附劑來捕獲核廢料產(chǎn)生的放射性碘是非常必要的。在這里，我們報(bào)告了六陽離子咪唑鎓有機(jī)籠的面部合成及其碘吸附性能?？购怅庪x子對(duì)于用該籠捕獲碘的關(guān)鍵作用已被揭示，當(dāng)使用不同的抗衡陰離子時(shí)，觀察到不同的碘捕獲行為。機(jī)理研究，特別是對(duì)載碘樣品的 X 射線晶體學(xué)分析，可以在分子水平上直接可視化碘結(jié)合模式。研究發(fā)現(xiàn)，多種非共價(jià)相互作用的網(wǎng)絡(luò)，包括氫鍵、鹵素鍵、陰離子·π相互作用、聚碘化物和籠的六陽離子骨架之間的靜電相互作用，是造成觀察到的高碘捕獲性能的原因。我們的結(jié)果可能為設(shè)計(jì)有效的碘吸附劑提供替代策略。