微孔有机聚合物的制备、表征以及气体吸附性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hhkjtest
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作为一种新型多孔材料,微孔有机聚合物在气体存储和分离以及非均相催化领域有重要的应用价值。相比于传统的分子筛和活性炭等微孔材料,微孔有机聚合物具有较高的比表面积、较低的骨架密度、较高的化学和热稳定性以及多样的骨架分子结构等。这些优异的特性,无疑使多孔有机聚合物成为多孔材料的一个重要分支。  本论文中,我们开发了多种环境友好的缩合反应来构筑微孔有机聚合物,并对它们的化学结构进行表征,接着研究聚合物材料在氢气和二氧化碳吸附方面的应用。  (1)利用氯化亚砜催化二和多乙酰基取代的建筑块发生aldol自缩合反应,来制备得到五种微孔有机聚合物材料。解析傅里叶变换红外谱图和固体13C CP/MAS NMR谱图,α,β-不饱和酮的二聚连接体和1,3,5-三取代苯的三聚连接体同时存在聚合物的骨架中。从扫描电子显微镜和高分辨电子显微镜图片中可以看到规则的聚合物微球以及纳米尺度的孔穴。所得微孔有机聚合物的BET比表面积最高可以达到832m2 g-1,孔容为0.48cm3 g-1;同时聚合物也表现出较高的氢气吸附容量为1.56wt%(77K和1.0bar)。该类材料的优异性能有望将其应用在非均相催化、气体吸附和分离领域。  (2)在含有乙酸铵的冰醋酸中,利用三蝶烯六酮化合物与芳香二醛的缩合反应,制备得到两种基于三蝶烯的微孔聚苯并咪唑网络。苯并咪唑的连接体可以通过傅里叶变换红外光谱和固体13C CP/MAS NMR波谱进行表征。扫描电子显微镜观测到聚合物具有纺锤体状的微观形貌。聚合物材料的BET比表面积可以达到609m2 g-1;而氢气和二氧化碳的吸附容量分别为1.57wt%(77K和1.0bar)和14.0wt%(273K和1.0bar)。聚合物材料的优异性能可以将其应用在气体选择性吸附、非均相催化和质子交换膜燃料电池等方面。  (3)利用芳香醛建筑块的安息香自缩合反应制备得到一系列α-羟基酮连接的微孔有机聚合物材料。傅里叶变换红外光谱和固体13C CP/MAS NMR波谱用来表征聚合物中的α-羟基酮连接体。从扫描电子显微镜和透射电子显微镜图片中可以看出,聚合物材料具有特殊中空的微球形貌。聚合物材料的最高BET比表面积可以达到736m2 g-1;而氢气和二氧化碳的吸附容量分别为1.42wt%(77K和1.0bar)和15.3wt%(273K和1.0bar)。这类微孔聚合物可以作为一类非常优异的气体存储材料。  (4)在对甲苯磺酸的催化下,利用芳香多醛建筑块与季戊四醇的缩合反应制备得到一系列缩醛连接的微孔有机聚合物材料。该缩合反应较其他构筑微孔有机聚合物的缩合反应显示了极大的优越性,因为此模型反应高效、简便和容易实现,并且用于聚合反应的部分单体、催化剂和反应溶剂廉价,可直接商业购买。傅里叶变换红外光谱和固体13C CP/MAS NMR波谱用来表征缩醛连接的微孔有机聚合物的分子结构。得到的微孔有机聚合物材料最高BET比表面积接近1000m2 g-1;同时也对它们的氢气和二氧化碳的吸附能力进行了表征。总的来说,我们提供了一种用于制备微孔有机聚合物的通用方法,并将得到的材料应用在气体吸附领域。
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