基于多齿羧酸基块的超分子骨架材料的构筑及吸附与分离性能研究

发布时间：2020-06-22 07:23

【摘要】：与传统的沸石分子筛、介孔氧化硅和活性炭材料相比,超分子骨架材料作为一类新兴的多孔材料,因其具有较高的存储能力、稳定的骨架结构、可调节的孔径与电荷、易于功能化等优点,已广泛地应用于诸多领域。随着工业化的高速发展,人们对能源的需求量逐渐增加,同时大量的污染物随即产生,这些污染物不仅能够破坏生态环境,同时对生命体具有很大的危害。因此,解决这些问题刻不容缓,并且在很大程度上依赖于新型材料的开发以及科技水平的提高。此外,骨架结构稳定性、孔径大小及电荷等因素对材料的性能具有一定的影响。基于上述考虑,本论文围绕着构筑具有优异吸附与分离性能的超分子骨架材料开展研究:制备具有高热稳定性和适宜孔径的新型骨架材料,进行温室气体吸附与分离及天然气净化研究;构筑具有良好溶剂稳定性、较大开放孔道、高孔隙率以及特定电荷的骨架材料,用于致癌染料等污染物的吸附与选择性分离。具有多重作用位点及特殊空间构型的有机构筑块,对于制备具有良好稳定性及特定结构的框架材料来说至关重要。本论文通过合理的设计,成功地合成了3个有机结构基元,并构筑了9种结构新颖的超分子骨架材料。通过详细地分析这些材料的结构特点,对其性质进行了探索。主要研究结果包含以下三个方面:1.首先,合成了一对半刚性对映异构体分子5,5′-(((1R,2R)-环己烷-1,2-二基双(氮烷二基))双(羰基))邻苯二甲酸(R-CHBAI)和5,5′-(((1S,2S)-环己烷-1,2-二基双(氮烷二基))双(羰基))邻苯二甲酸(S-CHBAI),以其为有机构筑块,通过氢键和π-π相互作用,构筑了一对单一手性的超分子有机骨架(SOFs)材料(化合物1和2)。该材料在250 ~℃仍能保持完好的结晶度,并展现出持久的孔道。在195 K、101 kPa条件下,化合物1对CO_2的吸附量高达213 cm~3 g~(-1)。此外,该材料不仅对CO_2和C_2H_6具有很好的吸附能力,同时对CO_2/N_2、CO_2/CH_4以及C_2H_6/CH_4的混合体系展示出良好的分离效果。化合物1和2的成功构筑丰富了SOFs系列材料,且具有一定的潜在应用前景。随后,在溶剂热条件下,以R-CHBAI和S-CHBAI为有机配体,构筑了一对单一手性的多孔配位聚合物材料(化合物3和4)。在化合物3和4中,每个锌离子与来自于两个配体的两个氧原子和一个乙二胺分子的两个氮原子配位,形成了链状的配位聚合物。独立的链与链之间通过氢键进一步连接,从而形成了二维超分子骨架材料。这两种材料在水和一些极性溶剂中均能稳定存在。2.为了得到三维SOFs材料,我们设计并成功地合成了具有非平面构象的有机构筑块2,4,6-三甲基苯-1,3,5-三基间苯二甲酸(TMBTI)。以1,4-二氧六环为主溶剂,以TMBTI为结构基元,通过对反应体系进行调控,制备了3个结构新颖的SOFs材料(化合物5-7)。化合物5的结构中存在着两种不同类型的氢键作用模式。化合物6是由单一模式的氢键通过有序的排列构筑而成,并且展示出典型的蜂巢结构,其内部有效孔径为19.3?。通过改变反应温度,成功地制备了具有高热稳定性的三重穿插SOF材料(化合物7),其骨架结构与化合物6同构。值得一提的是,在195 K、101 kPa条件下,化合物5和7对CO_2展现出优异的吸附能力,分别为308和340 cm~3 g~(-1),超过了所有已报道的SOFs材料。此外,这两种材料对CO_2和小分子烷烃展现出很好的选择性吸附能力。这些结果表明,化合物5和7在燃烧后捕获及天然气纯化等领域具有一定的潜在应用价值。3.以硝酸锌为金属源,与4,4',4''-次氮基三苯甲酸(H_3NTB)配体自组装,构筑了具有少见的扶手椅式(3,3)碳纳米管拓扑结构的单壁金属-有机纳米管(MONT)材料(化合物8)。独立纳米管的外径为29?,其内部有效孔径为21?,彼此间通过氢键相互作用,形成了具有典型蜂巢结构的三维超分子骨架材料。由于化合物8具有阴离子骨架结构,超高孔隙率及开放介孔孔道等特点,其对致癌染料碱性红9和碱性紫14展现出极高的吸附速率和吸附量。此外,化合物8对不同电荷的有机染料展现出高效的分离能力。化合物8具有如此优异的性质,表明该材料可以作为灵敏的吸附剂用于阳离子染料的移除,在一定程度上丰富了MONT材料的应用领域。在溶剂热条件下,以硝酸锌为金属源,以H_3NTB和4,4′-联吡啶为有机配体,构筑了一个具有互穿结构的二维配位聚合物材料(化合物9)。由于其骨架结构中存在着多种次级结构基元,并且相邻的层与层之间存在着较强的π-π相互作用,因此化合物9在水中及其它极性溶剂中均具有良好的稳定性。我们研究了该材料对CO_2和CH_4的吸附性能,并通过IAST理论对其分离能力进行了预测。结果表明,化合物9能够有效地分离上述气体混合物。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.3
【图文】：

非共价键,有机结构,基元

图 1.1 构成 SOFs 材料的非共价键作用模式。子化学作为化学学科的重要分支，与生物学、材料科学、环境密不可分的联系，并且已广泛地应用于分子识别、药物传输以合材料等领域。氢键作为非共价键中主要的作用力，能够连的有机结构基元，从而形成 SOFs 材料。因氢键具有极大的自或温度条件下，有机结构基元可形成不同的氢键模型，进而得Fs 材料[48, 49]。此外，π-π 堆积、CH···π 相互作用和范德华力的骨架结构的稳定性。以构成 SOFs 材料的有机结构基元组成分有机结构基元和双组份有机结构基元；其中单组分有机结构基构基元、含氮结构基元以及其它结构基元。齿羧酸有机结构基元构筑的 SOFs 材料OFs 材料被成功地合成并报道以来，含有羧酸基团的有机结构

材料结构,挥发法,材料,三苯

.2 H3BTC 构筑的六重穿插（a）及非穿插（b）SOFs 材料结构前为止，研究最为广泛的三齿羧酸有机结构基元为 1,3,5-三苯B）及其衍生物（图 1.3）。2006 年，L. Kampschulte 研究组以构筑了两种不同结构的 SOFs 材料[53]。随后，C.A. Zentner 等剂挥发法得到两种不同穿插程度的 SOFs 材料，分别具有 56 重，这两种 SOFs 材料共生于同一反应体系中（图 1.4a）[54]。N2

【参考文献】