【材料】氧化石墨烯高选择性结合芳香分子

选择性识别和结合有机分子是化工和制药领域应用最为广泛的策略之一，可用于近沸/共沸物分离、选择性催化、目标物提纯和药物传输等各个重要环节。目前，有机分子选择性分离的实现主要依赖于沸石、金属-有机骨架（MOF）材料、共价有机骨架（COF）材料等微孔框架材料。这些材料可利用自身规整孔道的分子筛效应精确分离不同尺寸的有机分子。然而，基于框架材料的分离过程往往受限于微孔扩散，存在分离动力学慢的问题。

图1. 氧化石墨烯选择性结合水溶液中芳香分子。

近日，北京大学朱东强教授团队发现非框架材料氧化石墨烯对水溶液中的芳香分子具有独特选择性。该团队在水溶液中研究了氧化石墨烯对多环芳烃、氯苯、甲苯、硝基苯等20余种芳香分子的结合能力，发现氧化石墨烯可高选择性结合分子尺寸较小的芳香烃，其对苯、单取代苯的结合常数比多取代苯高近一个数量级（图1）。该团队进一步结合固体核磁波谱（NMR）和密度泛函理论（DFT）等手段，揭示了氧化石墨烯的芳香分子选择机制（图2）。氧化石墨烯片层主要由分离的石墨微域（2.5~5.6 nm）构成，这些微域是其结合芳香分子的位点。石墨微域周围环绕着羟基、环氧基等大量含氧官能团，在水溶液中极易发生水合，使石墨微域的有效尺寸降至略大于一个苯环。这与苯、单取代苯等小尺寸芳香烃的分子尺寸高度匹配，因此氧化石墨烯可高效结合小分子芳香烃。另一方面，由于位阻效应的存在，氧化石墨烯的石墨微域难以与多环或者多取代苯等大分子芳香烃发生作用，最终表现出对小分子芳香烃的高选择性。此外，该研究还发现芳香分子极性官能团与氧化石墨烯含氧官能团的相互作用可一定程度上缓解上述位阻效应，即在分子尺寸相当的情况下，氧化石墨烯优先结合极性芳香分子。

图2. 氧化石墨烯对芳香分子的选择机制示意图。

氧化石墨烯片层表面高度开放，基于该材料的分离过程有望克服框架类选择性材料动力学慢的问题。此外，在尺寸/极性匹配机制的作用下，氧化石墨烯更倾向于结合分子尺寸小、极性高的芳香分子，这与以往报道的大部分材料的选择方向相反。基于尺寸/极性匹配的分子选择机制可为目标分子的精确识别和分离提供新思路。

这一成果近期发表于Science Advances，南京大学付翯云副教授、南京理工大学王冰玉副教授为文章共同第一作者，北京大学朱东强教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（41991331、21920102002、21777002）、国家重点研发计划（2019YFC1804201）和NSF纳米技术水处理工程研究中心（EEC-1449500）的资助。

原文

Mechanism for selective binding of aromatic compounds on oxygen-rich graphene nanosheets based on molecule size/polarity matching

Heyun Fu, Bingyu Wang, Dongqiang Zhu*, Zhicheng Zhou, Shidong Bao, Xiaolei Qu, Yong Guo, Lan Ling, Shourong Zheng, Pu Duan, Jingdong Mao, Klaus Schmidt-Rohr, Shu Tao, Pedro J. J. Alvarez

Sci. Adv., 2022, DOI: 10.1126/sciadv.abn4650

朱东强教授简介

朱东强，北京大学城市与环境学院博雅特聘教授、入选中组部“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授。主要从事有机分子界面化学过程及机制研究。主持了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点及国际合作重点、973计划项目课题、“新世纪优秀人才支持计划”项目等。获国家自然科学二等奖1项（5/5），教育部自然科学一等奖2项（1/10、3/10）。在相关领域具有重要影响的SCI源刊物上发表论文130余篇，其中1区论文97篇（JCR标准），所发表论文的SCI总引8831次，他引8443次。2014-2020连续7年入选Elsevier环境科学、环境地学领域中国区高被引学者榜单。目前担任环境领域重要刊物Environ. Sci. Technol. Lett.编委。

http://www.ues.pku.edu.cn/szdw/qbjs/z/311967.htm

https://www.x-mol.com/university/faculty/188161