功能有机微孔聚合物的制备及其应用

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有机微孔聚合物是一类由有机元素组成、结构中含有大量相互贯通或封闭孔洞的材料。与其他类型材料相比,有机微孔聚合物具有密度小、比表面积高、结构易调控、化学活性强的优点,能够广泛应用于吸附与存储、分离与提纯、多相催化、光电器件等诸多方面,涉及新能源、环境保护、化学工业、信息产业等领域,在科学研究和生活中发挥着巨大的作用。  近五年来,有机微孔聚物的研究十分活跃。相关文献表明,将与二氧化碳具有亲和力或具有催化功能的官能团引入孔道,能赋予材料功能化的特性。这些功能有机微孔聚合物在二氧化碳的捕获与封存和多相催化领域表现优异。在赋予材料功能的同时,调控其结构显得尤为重要,因为材料结构上微小改变会引起性能上巨大的差异。目前,通过改变单体的长度或官能团位置,可以用来调控共轭微孔聚合物和共价微孔聚合物的结构。但是,这些方法所需单体难以合成,对结构调控灵活性不足。为了解决对功能有机微孔聚合物结构调控中的难题,本文拟采用谭等提出的外交联剂“编织”法。此方法不仅在制备方法、功能基团的引入、材料本身的稳定性以及成本等方面有明显的优势,而且扩宽了单体的选择范围,提高了反应的灵活性,降低了制备的难度。  本文拟采用此策略,通过有机反应对官能团所在功能单体的结构进行修饰,达到对相应功能有机微孔聚合物结构和性能调控的目的。此外,本文也对有机微孔聚合物制备方法进行了探索。有机微孔聚合物与其他类型微孔材料(无机孔材料,金属框架化合物)相比,优势之一就是合成方法的多样性。寻找新的合成方法对于今后探索相关的应用有着深远的意义。  本论文包括以下几个章节的内容。  第一章综述了有机微孔聚合物的研究背景、发展历程和相关应用,提出了本文的研究目的和方向。对不同类型有机微孔聚合物结构和性能进行了分析与比较。其中,超交联微孔聚合物的性能与成本比较均衡,最具有实际应用潜力,对其功能化后结构与性能的调控值得进一步研究。  第二章合成了三种氮原子上取代基不同的N-杂环卡宾单体,与苯交联得到对应的有机微孔聚合物(Poly-NHC),再与 Pd2+配位得到多相催化剂(Poly-NHC-Pd2+),应用于卤代苯与苯硼酸偶联反应的催化。N-杂环卡宾是一类优异的小分子催化剂,该分子卡宾碳原子相邻氮原子上取代基的形状和大小影响其配位性能。催化实验表明,氮原子上连接苄基的N-杂环卡宾制备得到的有机微孔聚合物配位 Pd2+后(Poly-NHC-2-Pd2+)具有良好的普适性和催化循环性能。在底物为溴苯的反应中催化循环四次,活性保持不变,无明显的Pd2+流失。  第三章以苯二胺(o-、m-、p-)和芳香醛(水杨醛,糠醛)缩合,得到五种不同结构的Schiff碱,再与苯交联得到相应含有Schiff碱的有机微孔聚合物。Schiff碱中C=N基团呈弱碱性,能与弱酸性的二氧化碳发生相互作用。将其引入到有机微孔聚合物,能够提高材料对二氧化碳的吸附能力。对称结构的苯二胺(o-、m-、p-)为原料合成的Schiff碱具有半穴结构,结构中两个氨基夹角大小决定了半穴的形状,进而影响其对二氧化碳的吸附性能;同时,芳香醛的上的取代基与二氧化碳的亲和力也不相同。由o-苯二胺和水杨醛合成的Schiff碱为起始原料制备的有机微孔聚合物(P-B1)的比表面积最大,可达506 m2 g-1;由 p-苯二胺和糠醛合成的Schiff碱为起始原料制备的有机微孔聚合物(P-B6)在273 K,1 bar下二氧化碳吸附值最大,可达11.51 wt.%。  第四章通过简单的交联反应,将环三藜芦烃,2,8,14,20-四苯基杯[4]间苯二酚芳烃(D3)和2,8,14,20-四(2-羟基苯基)杯[4]间苯二酚芳烃(D4)引入有机微孔聚合物。环三藜芦烃具有独特的富电子孔穴结构,这能够增强材料对二氧化碳的吸附能力。近来的研究通过各种类型有机微孔聚合物的制备方法将环三藜芦烃作为功能基团引入到材料中,并应用于气体的吸附。但这些方法的成本高,操作难度大。另外,考虑到D3和D4具有比环三藜芦烃更深的孔穴结构,因此也将其作为功能基团引入有机微孔聚合物。此系列材料中,含有D3的有机微孔聚合物(P-D3)的比表面积最大,可达410 m2 g-1;并且在273 K,1 bar下二氧化碳吸附值最大,可达9.37 wt.%。  第五章报道一种合成有机微孔聚合物的新方法,即通过噁嗪环连接各个构筑砌块,形成有机微孔聚合物。其结构中大量的噁嗪环(含有N、O杂原子)有利于二氧化碳的吸附。以p-苯二胺,多聚甲醛,间苯三酚作为反应物,对反应方式、反应溶剂、反应物投料比、反应温度和时间进行了优化。再以 m-苯二胺和 o-苯二胺替代 p-苯二胺,在最优条件下反应,得到另外两种有机微孔聚合物。此系列材料中主要含有介孔,少量微孔和大孔。P-1(p-苯二胺为原料)的比表面积最大(可达231 m2 g-1),P-2(m-苯二胺为原料)在273 K、1 bar下二氧化碳吸附值最大(可达6.81 wt.%)。
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