以绿色合成的非晶Ce-MOFs作为高效吸附剂去除氧氟沙星抗生素

为什么清除被药物污染的水很重要

如今，河流、湖泊甚至饮用水中常能检测到抗生素痕迹，这在很大程度上是因为人和动物服用的药物在体内并未被完全分解。常用的一种抗生素——氧氟沙星，可能在环境中滞留，进而对水生生物造成危害并促进抗生素耐药性的发展。本研究探索了一种新的环保材料，能够高效地从水中吸附氧氟沙星，同时其制备比许多现有方案更简单、更绿色。

用金属与有机单元构建微小“海绵”

本研究的核心材料称为金属–有机框架（MOFs）。它们由金属原子与有机分子连接搭建成类似支架的结构，拥有巨大的内表面积和微小孔隙，可用于捕获污染物。传统上，MOF是通过有机溶剂和加热制备的有序晶体。在这里，研究人员转而关注基于铈元素的“非晶”MOF——这类结构缺乏长程有序性，但仍保留关键的金属–有机键合。非晶体版本更易于大规模制备、力学更稳健，并含有丰富的缺陷位点，能作为额外的污染物停靠点。

仅用水的绿色配方

为制备这些非晶铈MOF，团队开发了一种在室温下仅以水为溶剂的制备与活化方法。他们将铈盐与有机连接体溶于含有促进框架形成的盐的水中。通过调整未溶解连接体的处理方式以及洗涤时使用的液体，制备出具有不同孔径和表面积的若干变体。一个关键技巧是过滤掉未溶解的连接体颗粒，避免其堵塞孔道。通过X射线衍射和红外光谱的测试证实，所得产物确为非晶态，但仍保留了与其晶态同类材料相同的基本化学构件。

新“海绵”对氧氟沙星的去除能力如何

随后，研究人员将每种非晶MOF作为吸附剂进行测试，使用氧氟沙星作为模型污染物。氮气吸附测量显示这些颗粒具有介孔，即足够大的孔隙使氧氟沙星分子能够进入并在其中扩散。在不同样品中，标记为Ce-MOF-A-2的一种在孔径与表面积之间取得了最佳平衡。在接近室温且pH接近中性水的有利条件下，该材料的实验吸附容量约为139毫克/克。对吸附速率和亲和力的分析表明，氧氟沙星在表面及孔道内形成均匀的一层分子，吸附过程主要受化学相互作用控制，而非单纯的物理捕获。值得注意的是，从数据拟合得到的最大容量略高于可比的晶态MOF，并且是常用基准活性炭的两倍多。

什么因素控制吸附与释放

为模拟实际废水条件，团队考察了pH、溶解盐和温度对性能的影响。该材料在接近中性pH时表现最佳，此时氧氟沙星呈部分带电形式且MOF表面带有轻微负电。在这种条件下，多种作用力共同发挥作用：电荷间的温和静电吸引、氢键、药物环状部分与有机框架之间的堆叠相互作用，以及孔道的简单填充。加入常见食盐可进一步增强去除效率，因为盐使氧氟沙星在水中处境更不稳定，从而促使其转移到MOF中。升高温度也会增加吸附量，表明该吸附过程受热有利。该材料经洗脱后可重复使用数次，吸附容量有一定损失，部分原因是药物分子残留在孔内，但其整体结构和热稳定性基本保持完整。

对更安全用水的意义

通俗地说，该研究表明可以通过一种简单的室温水相工艺制备高效的“分子海绵”以去除抗生素污染。性能最佳的非晶铈MOF在吸附氧氟沙星方面优于许多晶态MOF，远胜于活性炭，同时保持稳定性并具备部分可重复利用性。由于该方法依赖温和原料并避免苛刻条件，显示出向低成本生产先进过滤材料的潜力，这类材料可填充在处理柱或滤芯中。如果放大生产，这些绿色制备的非晶MOF有望成为阻止药物残留进入人类与其他生物用水的有力工具。

引用: Molavi, H., Saeedi, S. & Ghorbani, A. Green synthesis of amorphous Ce-MOFs as efficient adsorbents towards Ofloxacin antibiotics. Sci Rep 16, 11322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42188-6

关键词: 水净化, 抗生素去除, 金属有机框架, 绿色合成, 氧氟沙星