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开发水凝胶复合材料以帮助防护装备快速降解有毒神经毒剂

伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的科学家们开发了一种水凝胶,该水凝胶与基于锆的坚固金属有机框架 (MOF) 相结合,可快速降解化学战中使用的基于有机磷酸盐的神经毒剂。与现有的粉末状 MOF 吸附剂不同,这种水凝胶复合材料不需要加水,并且可以很容易地放大以用于防护面具或防护服。这项工作于 7 月 14 日发表在Chem Catalysis杂志上。

“基于有机磷酸盐的神经毒剂是人类已知的毒性最强的化学物质之一,”资深作者、西北大学化学教授 Omar Farha 说。“它们在最近的全球冲突中的使用反映了对个人防护装备的迫切需求,以及化学武器库存的大量销毁。在这项工作中,我们将 MOF 和含胺交水凝胶集成到布料中,以构建适当的微环境以促进神经毒剂的快速降解并提供实时保护。”

虽然 MOF 之前已经证明了在实验室中分解有机磷试剂和模拟它们的化学物质的异常快速的能力,但这些粉末状吸附剂已被证明难以直接集成到防护布中。当神经毒剂与其锆 6 簇结合时,它们通常会使粉末和纤维复合催化剂失活。这个陷阱要求使用碱性溶液来再生 MOF 的催化位点——这一要求不会阻止这种 MOF 用于消除库存的化学武器,但会阻碍它们在可穿戴防护装备中的使用。

为了克服这一挑战,Farha 及其同事设计了一种基于 MOF 的纺织复合系统,该系统使用胺基水凝胶中的水来分解神经毒剂。该材料通过将分解有毒有机磷试剂的水解反应的三个关键成分结合在一起而发挥作用。MOF 的锆节点提供了一个路易斯酸性位点,可激活磷中心(神经毒剂的活性部分),而水凝胶孔则捕获必要的水。水凝胶骨架中的碱性胺基团产生羟基以促进对有机磷底物的亲核攻击和随后水解产物在锆中心上的置换(即催化转化)。

研究人员将这种水凝胶复合材料与棉纤维相结合,并通过将一小部分模拟物或实际神经毒剂(与陆军实验室合作测试)应用于其表面进行测试。接下来,他们使用核磁共振波谱分析了产品和底物。他们发现,这种复合材料在短短 10 分钟内就化学转化了 99% 的试剂,即使在密封小瓶中储存 3 个月后仍能保持这种高水平的催化活性。

“与我们之前开发的复合材料相比,这里开发的复合材料有了显着的改进,”Farha 说。“同样重要的是要注意,这里报告的复合材料在固态下的反应性与在碱性水溶液中获得的反应性相当。”

由于作者设想将新型水凝胶复合材料用作防护服和口罩中的反应层,因此他们指出,需要进一步的工程和测试才能将其集成到这些现有产品中。然而,由于用于生产复合材料的方法简单且易于扩展,Farha 建议在未来大规模生产基于 MOF 的口罩和防护服是可能的。

“我们正在优化复合材料以适应现实世界的条件,”Farha 说。“我们希望将来这些材料能够商业化并用于保护人类生命。”

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