氮循环关系到生态环境的可持续发展，也是“能源-食物-水”耦合的重要内容。人类尿液占城市水体积的1%，却富含70%以上的活性氮，将其进行源头分离即可源头控制水体中营养素的来源，又可以实现资源的高附加值循环利用。然而尿液中的尿素与水的氢键作用极强，其分离与转化都极具挑战。

图. MOF-808多重修饰构筑模块化一体化“转化-捕集-检测”系统

秉持长期以来污染物源头控制与资源化的理念，近日，我校与阿肯色大学、加州理工大学的合作者，采用水稳定的MOF-808为基体，开展精准多位点后修饰策略，同步实现其对生物活性脲酶的固载稳定化、草酸后修饰下的高容量铵根离子吸附和Cu离子调控下的氨分子显色检测，将尿液中的尿素原位转化为氨氮并吸附回收，形成模块式可视化尿液资源回收系统。

MOF-808是目前水稳定性最高的MOF材料之一，因而在水处理领域的各方面应用具有极大潜力。面向氨氮污染源头控制与资源化的挑战，研究者采用精准的后修饰手段，对MOF-808进行多重精准修饰：（1）通过脲酶氨基残基与羰基形成酰胺键，共价固载脲酶量可达1.7g/g，其对尿素的水解速率(Km, 25.15mM)与天然脲酶(Km, 24.80mM)基本可比，稳定性则得到了显著地提升(3倍以上)。（2）与此同时，研究者通过配位作用将二羧酸分子结合在MOF骨架上，进而增强对铵根离子的静电吸附作用，其中以草酸为封端的材料体系吸附容量大(113 mg/g)，吸附速率快、可在1min内实现吸附平衡，并可稳定脱附再生。结合分子动力学模拟发现，铵根离子与羧酸根形成稳定的密堆型离子加合物，其中草酸修饰的MOF-808具有最优的孔道修饰且与铵根离子的结合能最高。（3）更进一步地，研究者设计性引入Cu（II）配位结合在MOF骨架的金属结点，使材料可与溶液中游离氨分子发生显色反应，从而对尿液氮回收中氮元素的转化、吸附、以及再生过程全程进行可视化显示。

这一研究不仅进一步拓展了MOF材料在环境领域的应用场景，也为氨氮污染源头控制和资源回收提供了新颖的、模块化的解决方案。成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed上，郭蕾博士(现为阿肯色大学助理教授)、加州理工大学的Yi Zhang博士为论文的共同第一作者，我校杨雪晶教授、郭蕾博士、加州理工大学William Goddard院士为论文的共同通讯作者，我校为论文第一作者单位。研究项目还得到了项延训教授、汪华林教授、张楠老师、李佳男博士、Michael Hoffmann院士等的关心与支持，是我校在污染物源头处理与资源化方面的又一研究硕果。

论文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202309258

Modular Functionalization of Metal-Organic Frameworks for Nitrogen Recovery from Fresh Urine

Lei Guo*, Yi Zhang, Silvio Osella, Samuel M. Webb, Xue-jing Yang*, William A. Goddard III*, Michael R. Hoffmann

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202309258