AmBeed文献解读|Nature Communications

将电子垃圾回收成载金共价有机框架催化剂，用于末端炔烃羧化

2024年12月30日，康奈尔大学Alireza Abbaspourrad团队在Nature Communications（IF=14.7）上发表题为《Recycling e-waste into gold-loaded covalent organic framework catalysts for terminal alkyne carboxylation》的研究。本研究主要介绍了一种创新的方法，将电子垃圾中的金回收并转化为高效的共价有机框架（COF）催化剂，用于末端炔烃的羧基化反应。这种方法不仅具有环境友好性，还具有经济可行性，为电子垃圾的处理和资源回收提供了新的思路。

研究背景：

随着对金的需求不断增长，传统的矿山开采不仅资源有限，还会对环境造成严重破坏。与此同时，电子垃圾中含有大量的金，然而目前的回收过程复杂且效率低下，因此需要创新的方法来提高回收效率并降低成本。此外，CO₂是一种丰富的可再生碳源，但其固有的稳定性和惰性使得化学固定面临挑战。鉴于此，研究的重点是寻找高效的催化剂，以在更温和的条件下激活CO₂分子并将其转化为高价值化合物。

研究内容：

图1. TTF-COF和TPE-COF的合成

研究团队合成了两种基于四嗪乙烯基连接的共价有机框架（VCOFs），分别为TTF-COF和TPE-COF。随后，他们对这两种COFs进行了结构表征，结果表明这些COFs能够吸附金离子和纳米颗粒。

图2. COFs薄膜的光电化学性质

研究团队对TTF-COF和TPE-COF进行了电化学分析、光电子能谱分析、光电流瞬态响应分析以及材料性能分析。

图3. 废CPU板的Au（III）吸附等温线、选择性和能量色散X射线光谱（EDS）映射分析。

团队发现，TTF-COF和TPE-COF对水溶液中Au(III)的吸附容量分别为2440 mg g⁻¹和1639 mg g⁻¹。金的来源是从废弃计算机处理单元中分离出的金属片。TTF-COF能够选择性地捕获超过99%的金，而根据金属的初始浓度，只有5.50%的铜（Cu）和2.10%的镍（Ni）被去除。

图4. TTF-COF与金离子的化学状态、微观图像及相互作用机制。

在用作催化剂之前，团队对载金TTF-COF和TPE-COF进行了表征，采用的方法包括X射线光电子能谱（XPS）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、粉末X射线衍射（PXRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）。

图5. 催化机理

团队将回收的金负载到共价有机框架（COF）上，成功制备了载金COF催化剂。在末端炔烃的羧基化反应中，该载金COF催化剂展现出了卓越的催化性能。其催化反应的最佳条件相对温和：载金COF催化剂能在50°C和CO₂常压环境下，于12小时内催化多种末端炔烃发生反应，高效生成取代丙二酸。此外，载金COF催化剂在经过六次重复使用后，依然保持着良好的稳定性和可重复使用性。

结论：

研究团队提出了一种开创性的方法，利用四嗪乙烯基连接的共价有机框架（VCOFs），实现了从电子垃圾中回收金并将其转化为高附加值催化剂的高效转化，该催化剂能够在温和条件下高效地进行重要的有机转化反应。TTF-COF和TPE-COF的简便合成，以及它们独特的光电子结构，包括有利的能带位置和低能带间隙，使其特别适合作为氧化还原活性光催化剂，具有多样化的应用前景。这些COFs展现出高光电流响应，超越了以往的COF和碳氮化物光电阴极。此外，它们对Au(III)的卓越吸附能力以及在COF基质中原位还原为Au(0)颗粒的特性，突显了它们从水和电子垃圾中回收金的巨大潜力。

图6. 实验所用的4,4',4'',4'''-([2,2’-bi(1,3-dithiolylidene)]-4,4’,5,5’-tetrayl)tetrabenzaldehyde (tetraformyl tetrathiafulvalene, TFTTF)(99.0%，CAS：1639134-02-3）和4,4',4'',4'''-(ethene-1,1,2,2-tetrayl)tetra benzaldehyde (tetraformyl tetraphenylethylene, TFTPE) (99.0%，CAS：2170451-48-4）来自AmBeed

Doi：10.1038/s41467-024-55156-3