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倍半硅氧烷基功能材料制备方面取得重要进展

时间:2022-06-13 13:37
近日,山东大学化学与化工学院刘鸿志教授课题组在倍半硅氧烷基功能材料制备方面取得重要进展。课题组设计并制备了一种有机—无机杂化近红外发射的多孔聚合物,实现了同时对抗生素(氯化小檗碱BCH)的检测与降解,该材料在环境保护等领域具有重要应用价值。相关研究成果以“Organic–Inorganic Hybrid Near-Infrared Emitting Porous Polymer for Detection and Photodegradation of Antibiotics”为题发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering(一区Top期刊,IF=8.198, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c00935)并入选封面文章。第一作者是山东大学和日本群马大学联合培养博士研究生王清正,通讯作者是刘鸿志教授和日本群马大学Masafumi Unno教授,山东大学为第一作者单位。
氯化小檗碱(Berberine chloride hydrate, BCH)是一种异喹啉类抗生素,因其优良的抗菌性能和较低的副作用而被广泛应用。然而,80%以上的抗生素由于生物降解性低和药物处理不当而在环境中累计。目前,BCH已在各种水体中被发现,包括地表水、污水,甚至饮用水等。微量的BCH存在于环境中,即可诱导生物产生耐药性病原体,对生态系统和人类造成巨大危害。因此,开发高效的抗生素检测和去除方法至关重要;当前大多数研究仅针对抗生素检测或光降解的单一方面进行,很少能够制备同时检测与降解抗生素的材料。该工作的创新之处在于巧妙制备了一种双功能型材料,能够同时高灵敏度检测和光降解抗生素,对抗生素类污染物的处理具有重要价值。
近几年近红外发光材料成为研究领域的热点,在生物成像、光动力疗法、光通信、传感器等领域具有重要的应用价值。然而,有机近红外发射分子由于机械强度和热稳定性差、亮度低以及光稳定性差,使用受到严重限制。笼型硅倍半氧烷分子是一类具有笼型结构的有机-无机纳米杂化分子,由二氧化硅的无机内核和外围的有机基团组成。这种特殊的核-壳结构实现了分子水平上有机-无机杂化,外围的有机基团可以进一步功能化,使其成为制备纳米杂化功能材料的理想平台。笼型倍半硅氧烷可以作为基本的构建单元、交联剂以及纳米填料等与多种底物作用来制备具有特定功能的杂化材料。笼型倍半硅氧烷的引入可以显著提高杂化材料的热稳定性、化学稳定性以及机械性能等,在多个领域表现出巨大的应用前景。
文章首先合成具有超共轭“D-π-A-π-D”结构的近红外发射的有机半导体分子,电化学阻抗谱(EIS)和瞬态光电流测量证明了该分子的半导体行为。通过Friedel-Crafts反应将其与八乙烯基倍半硅氧烷(OVS)交联,合成了具有半导体性质、比表面积近1000 m2 g−1的倍半硅氧烷基杂化荧光多孔聚合物(PCS-CZ-DCM),倍半硅氧笼烷地引入避免了有机分子的聚集诱导猝灭(ACQ)效应,与单体相比,多孔材料的荧光强度显著增强,且具有较高的稳定性。该材料对BCH检测具有高灵敏性,且不受其它抗生素、PH和各种蛋白质等环境因素的影响。此外,该材料还对抗生素具有优异的光降解活性,无需添加额外的氧化剂,降解过程简单高效,ESR分析证明超氧自由基(•O2-)在该材料的光催化过程中产生重大影响。PCS-CZ-DCM稳定性高,易于再生,多次循环后对抗生素的去除率仍能保持在85%以上。该工作为环境中抗生素类污染物的控制提供了新思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金、山东省重点研究发展计划和山东大学国际合作种子基金支持等资助。

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