以硅烷为基础的有机多孔聚合物的设计合成及应用

发布时间：2020-07-06 12:30

【摘要】：有机多孔聚合物(POPs)是一种由有机结构单元所构成、合成方法多样、孔性质可调的多孔材料,由于其丰富的孔结构和优异的孔性质,已经被广泛应用于催化、光电、锂离子电池、传感器、气体储存与分离、污水处理和膜材料等领域。根据化学结构的不同,POPs主要分为共价有机框架(COFs)、自具微孔聚合物(PIMs)、共轭微孔聚合物(CMPs)和超交联聚合物(HCPs)。目前多孔聚合物普遍存在制备单体有限、孔结构调控困难等问题,难以满足实际应用的需求。因此,设计合成新的构建单体,制备新的多孔聚合物并实现对多孔结构的调控成为目前重要的研究课题,对该类材料的发展具有重要意义。本论文主要以苯基硅烷为基础,设计合成了多种新型的超交联多孔聚合物材料。我们对所制备的多孔聚合物材料进行了结构表征,并通过N_2吸-脱附等温线研究了所得聚合物材料的孔性质。结果表明,以苯基硅烷为单体,通过与外加交联剂反应可以得到具有高的热稳定性和丰富孔结构的无定型硅烷基超交联聚合物(Si-HCPs)材料。并且将该类材料应用于染料吸附、CO_2捕获、H_2储存、超级电容器和荧光检测金属离子领域,对其在这些领域的应用性能进行了研究。本文主要包括以下三个方面:1.以二甲基二苯基硅烷、甲基三苯基硅烷和三苯基硅烷为反应单体,选取二甲氧基甲烷(FDA)为外交联剂,通过傅-克烷基化反应合成一系列Si-HCPs,对合成的Si-HCPs材料进行了结构及形貌的表征。研究了单体种类和外交联剂的用量对Si-HCPs的孔性质的影响,通过改变单体和外交联剂的用量,可以调控Si-HCPs的比表面积(441-1205 m~2 g~( 1))及孔径分布。将该类材料作为吸附剂,研究了其在染料吸附和气体吸附方面的应用,结果表明,该类材料具有较高的刚果红染料吸附能力(750-952 mg g~( 1)),并具有良好的可再生性。另外,该类材料在CO_2捕获(3.42-7.53 wt.%,0.78-1.71 mmol L~( 1),298.1 K和1.12 bar)和H_2储存(1.17-1.25 wt.%,5.87-6.25 mmol L~( 1),77.3 K和1.12 bar)上也具有潜在的应用价值。2.利用三聚氯氰为外交联剂,分别与二甲基二苯基硅烷、甲基三苯基硅烷和三苯基硅烷反应合成Si-HCPs材料。所制备的材料表现出良好的CO_2(7.9-8.9wt.%,1.81-2.03 mmol L~( 1),298.1 K和1.12 bar)捕获性能。以该类聚合物为基础,经过KOH活化和高温碳化处理,得到的碳材料能够应用在超级电容器领域,并表现出优异的电化学性能,在1 A g~( 1)的电流密度下,其比电容能达到226.3-263.5 F g~( 1)。3.选用1,4-二甲氧基苯为交联剂,分别和二甲基二苯基硅烷、甲基三苯基硅烷和三苯基硅烷反应制备Si-HCPs材料。所制备材料在整体上具有π-π共轭和d-p共轭结构,使得该类Si-HCPs材料表现出荧光性能。将该聚合物材料和苯乙烯-马来酸酐共聚物(PSMA)混合制备成纳米粒子,能够选择性识别Fe~(3+)离子,表明该类材料在荧光探针领域具有一定的应用价值。总之,本论文的相关研究工作为多孔聚合物材料的制备和性质调控提供了新的方法和研究思路,对多孔聚合物材料在相关领域的应用具有重要的借鉴意义。
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TM912

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