功能化多孔有机骨架材料的合成及其在气体吸附分离方面的应用

发布时间：2020-07-02 00:45

【摘要】：随着经济的快速发展,人类对于能源的需求越来越高,例如高品质的能源原料C_2H_6、C_2H_4等;但同时也伴随产生了严重的环境问题,CO_2等温室气体的过度排放使得全球变暖等气候问题更加严峻。为了更好地解决能源和环境问题,科研工作者们对此进行了大量的探索研究,其中,利用多孔材料对目标气体进行吸附和分离被看作是有效的手段。作为多孔材料的一员,多孔有机骨架材料(porous organic frameworks,POFs)具有颇多优点,如高的比表面积、低的骨架密度、高的热稳定性和化学稳定性等;不仅如此,多孔有机骨架材料的合成还具有灵活的可设计性,通过调节单体的长度及种类可以实现目标材料的可控合成。此外,通过原位合成和后修饰两种手段,具有特定性质的功能化多孔有机骨架材料的合成也变得很有可能。原位合成方法是将含有特定官能团的单体直接进行聚合进而合成出功能化材料,后修饰方法是对已聚合形成的多孔材料再进行官能团的修饰以此获得功能化材料。相比于后修饰手段,原位合成方法得到的功能化多孔材料中设定的官能团的含量更加可控,分散更加均匀。本文的主要内容就是利用原位合成的方法分别合成对C_2H_6和C_2H_4、CO_2具有特异性吸附和分离性能的两类功能化多孔有机骨架材料PAF-73-V_(X%)和PAF-74-NH_2。首先,我们选择双键官能团,通过两步有机反应合成了2,5-二乙烯基对苯二甲醛,将其与无功能性基团的对苯二甲醛按照不同摩尔比例与单体四氨基四苯基甲烷通过席夫碱反应进行聚合得到含有不同比例双键官能团的多孔有机骨架材料PAF-73-V_(X%)。通过红外、固体核磁等一系列基本表征证明材料成功的被合成出来。氮气吸附结果表明PAF-73-V_(X%)均具有较高的比表面积,数据显示双键的引入,材料的比表面积有所下降。由于材料中含有双键官能团,可能会对乙烯产生较强的相互作用,为此我们进行了C_2H_6和C_2H_4的吸附性能测试,结果表明,随着材料中双键含量的增加,C_2H_6和C_2H_4的吸附量也逐渐增大,这说明向材料中引入双键官能团可以显著提高材料对C_2H_6和C_2H_4的吸附能力。其次,我们选择氨基官能团,将2-氨基-4,4’-二溴联苯和4,4’-二溴联苯分别与1,3,5-三(4-乙炔苯基)苯通过Sonogashira-Hagihara反应进行聚合得到PAF-74-NH_2和PAF-74。通过一系列基础表征证明材料成功合成并完好地保留了氨基官能团。PAF-74-NH_2和PAF-74的比表面积分别可达到918、1230 m~2/g,孔径分别约为1.31 nm、1.72 nm,并且具有较高的热稳定性和化学稳定性。随后,我们分别对PAF-74和PAF-74-NH_2进行了CO_2和N_2吸附测试,结果显示两种材料对CO_2/N_2均具有一定的分离效果,但是功能化的PAF-74-NH_2对CO_2/N_2的效果分离明显优于PAF-74。此外,PAF-74-NH_2对CO_2/CH_4也具有良好的分离效果。以上结果表明,向多孔有机骨架材料中引入氨基官能团可以得到具有良好CO_2分离效果的功能化多孔材料。综上所述,本论文我们采用原位合成的方法,选定双键和氨基两种官能团,合成了两类功能化的多孔有机骨架材料PAF-73-V_(X%)和PAF-74-NH_2,这些材料均具有较高的比表面积和热化学稳定性,同时,双键功能化的PAF-73-V_(X%)材料表现出增强的C_2H_6、C_2H_4吸附能力,氨基功能化的PAF-74-NH_2对CO_2、CH_4、N_2气体具有一定的分离效果。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.4;TQ424
【图文】：

图 1-1 分子筛的形成过程示意图图 1-2 a 为 MOF-5 的结构模拟示意图；b 为 MOF-5 的拓扑结构示意图1.2 多孔有机骨架材料的分类近些年来，由纯有机成分组成的多孔有机骨架材料 POFs 因其优异的性能而逐渐引

图 1-2 a 为 MOF-5 的结构模拟示意图；b 为 MOF-5 的拓扑结构示意图1.2 多孔有机骨架材料的分类近些年来，由纯有机成分组成的多孔有机骨架材料 POFs 因其优异的性能而逐渐引起研究者们的广泛关注与研究并登上多孔材料的舞台[20]。多孔有机骨架材料主要由轻元素（C、H、O、N、B 等）通过不同的键连方式组成[21-22]，因此多孔有机骨架材料的种类较多，那么根据键连方式、组成以及功能的不同主要可以分为以下几种：超交联聚合物（Hyper-Crosslinked Polymers，HCPs）[22]、共轭微孔聚合物（Conjugated MicroporouPolymers，CMPs）[23]、共价三嗪骨架（Covalent Triazine Frameworks，CTFs）[24]、固有微孔聚合物（Polymers Intrinsic Microporosity，PIMs）[25]、共价有机骨架聚合物（CovalenOrganic Frameworks，COFs）[26]、多孔芳香骨架材料（PorousAromatic Frameworks，PAFs[27]等。

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本文编号：2737504