烷基化类熏蒸剂作为一类剧毒且致癌的气态农药正被广泛应用于农业生产、粮食存储以及白蚁防治等诸多方面。针对有毒物质的吸收、解毒和检测是提高专业和个人防护的主要措施。根据加州农药管理局的统计，每年仅在加州范围内，熏蒸剂的使用量可达2万余吨。然而对于熏蒸剂而言，无论是对其的吸附解毒材料还是快速检测方法都十分有限。近年来，具有超高比表面积和孔隙率的金属有机框架（MOF），共价有机框架（COF）和多孔有机聚合物（POP）在气体吸附，传感和催化方面变现突出。但是上述材料大多都以粉末的形式存在，这无疑给他们的应用，特别是在可穿戴防护材料上的应用带来了巨大的困难与限制。

  针对上述问题，博士后研究员唐佩馨博士将POP和棉织物结合设计出了针对烷基化类熏蒸剂快速吸收、原位解毒和颜色警示的超强吸附性纤维基设备“SAFE-Cotton”.研究人员利用三聚氰氯和三聚氰胺的缩合反应在棉纤维上原位聚合生成高度多孔的亲核性有机聚合物 （Nu-POP）。Nu-POP在棉纤维表面的共价生长最大程度地保留了Nu-POP在粉末状态下的物理特性，包括超高的孔隙率和比表面积（粉末状态：598.2 m²/g;共价生长在棉纤维上：424.2 m²/g）。最终，“SAFE-Cotton”的比表面积（110.3 m²/g）相比于普通棉织物提高了38倍，并且仍保持着棉织物原有的柔软性、透气性和可穿戴性，使其在新型个人防护设备方面的应用成为可能。

图1.a)基于棉织物的超强吸附性纤维基设备“SAFE-Cotton”的制备工艺。b)电子显微镜下“SAFE-Cotton”的表面结构与形态。c)不同材料的氮气等温吸附-解吸结果。d)柔性的、可折叠、可卷曲、可恢复的“SAFE-Cotton”。

  得益于“SAFE-Cotton”优秀的比表面积、孔隙率和亲核性,烷基化类熏蒸剂的快速吸附和解毒机理如图2a)所示。具体来说，熏蒸剂气体包括碘甲烷，溴甲烷，1,3-二氯丙烯和三氯硝基甲烷可被“SAFE-Cotton”通过毛细冷凝效应快速吸附（吸附平衡时间在一分钟之内）。同时，“SAFE-Cotton”在10次碘甲烷蒸汽的重复暴露过程中表现出稳定的吸附效率。“SAFE-Cotton”对于碘甲烷的吸附量可高达596.88 mg/g.

图2.a)“SAFE-Cotton”的吸附和解毒机理。b)碘甲烷吸附曲线。c)碘甲烷循环吸附效率。d)“SAFE-Cotton”对于其他熏蒸剂的吸附曲线。

  更值得一提的是，被吸附的碘甲烷可在“SAFE-Cotton”的孔隙内进行原位解毒：与亲核性的Nu-POP发生烷基化反应。同时依赖于Nu-POP中的氮原子的Bronsted碱性，材料解毒后生成的中间体会进一步发生失氢反应而引起电子重排，从而使得材料产生肉眼可见的黄色（如图3所示）。而解毒反应的发生引起了Nu-POP结构的变化（如比表面积和孔隙率降低），从而影响“SAFE-Cotton”后续的吸附解毒效果。随着解毒过程的积累，“SAFE-Cotton”可呈现出从白色到棕黄色的颜色变化以警示解毒过程的发生，并且根据颜色变化程度提示更换材料以保证防护效果。

图3.a)“SAFE-Cotton”吸附和解毒不同浓度碘甲烷之后的颜色变化。b)相应颜色变化的“SAFE-Cotton”保留的吸附效率。

  以上相关成果以“Wearable super-adsorptive fibrous equipment in situ grafted with porous organic polymers for carcinogenic fumigant defense and detoxification”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。论文的第一作者为美国加州大学戴维斯分校生物与农业工程系博士后唐佩馨，通讯作者为孙刚教授。共同作者还有东华大学化学化工与生物工程学院讲师纪柏林。

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta07475f#!divAbstract