超交联微孔有机聚合物的合成及其在气体存储和催化方面的应用研究

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微孔有机聚合物是一类具有高比表面积、质轻、易功能化等特点的多孔材料,主要分为超交联聚合物、共轭微孔聚合物、共价有机网络和自聚微孔聚合物,在气体吸附、催化、光电、化学传感等领域有着广泛的应用。超交联聚合物作为微孔有机聚合物一个重要的分支,具有多样的合成方法,例如外交联剂编织法、Scholl偶联反应、溶剂编织法等。然而在构建理想的聚合物方面,这些方法之间目前还缺少相关的对比研究。此外,有关单体中的官能团取代对聚合物性能的影响,目前的报道也较少。考虑到它们对研究的重要性,因此也有必要作出进一步的阐明。为了更好的理解合成方法和单体中的官能团取代对聚合物性能的影响,本文首先基于不同的合成策略制备了一系列超交联聚合物。然后,通过红外光谱、固态核磁光谱、扫描电镜、透射电镜、氮气吸附、元素分析等对所得聚合物进行了表征。最后,还进一步探究了这些聚合物在气体吸附与分离、催化等方面的应用。主要研究内容和相关结论如下所示:(1)基于三种不同的合成方法(外交联剂编织法、Scholl偶联反应、溶剂编织法)和两种芳烃(对三联苯、间三联苯)合成了六种超交联聚合物,比表面积可达2278 m2g-1,273.15 K/1.00 bar下的CO2吸附量可达20.89 wt%。通过系统的研究这些聚合物的孔结构、气体吸附和荧光性能,实验发现:溶剂编织法有利于合成高比表面积和气体吸附性能良好的聚合物,外交联剂编织法在合成聚合物方面最省时,Scholl偶联反应有助于制备具有荧光性能的聚合物。此外,还从反应机理方面解释了聚合物在孔结构、气体吸附和荧光性能方面的差异。(2)稠环化合物作为一类常见的环境污染物在聚合物的合成方面尚未得到较多的关注。基于此,采用不同的稠环化合物制备了四种结构新颖的超交联聚合物,并探究了它们的气体吸附和能源存储性能。结果表明,所得聚合物的比表面积可达1788 m2g-1,273.15 K/1.00 bar下的CO2吸附量高达24.79 wt%,77.3 K/1.00 bar下的H2吸附量高达2.20 wt%,273.15 K/1.00 bar下的CH4吸附量可达2.79 wt%。研究进一步表明,具有π共轭体系的稠环化合物可作为一类新的单体用于制备高表面积和气体吸附性能良好的聚合物,且所得聚合物在CO2吸附性能方面的差异主要归因于聚合物不同的比表面积、孔径和孔径分布等因素。(3)以不同结构的叔胺为单体制备了三种新颖的超交联聚合物。结果表明,聚合物的比表面积可达1717 m2 g-1,Langmuir比表面积高达2135 m2 g-1,273.15 K/1.00 bar下的CO2吸附量可达18.85 wt%。研究发现,随着单体中的官能团取代,即单体中的苯基逐步被萘基取代,所得聚合物的孔结构和气体吸附性能都可得到良好的调控。这主要是因为,随着单体中的苯基被萘基取代,单体中的反应活性位点会增多且富电性也会增强。(4)基于三苯基膦编织的非均相催化剂能有效地催化氯苯,然而三苯基膦很强的空气敏感性不利于非均相催化剂的回收和利用。以廉价的三苯基膦类似物为聚合单体合成了比表面积高达1004 m2g-1的八种非均相催化剂,具有不同的催化活性。其中,溴苯和苯硼酸的Suzuki-Miyaura偶联反应催化效率在15分钟内可达99%,TOF高达8800 h-1。此外,这些催化剂历经五次循环还具有不同的稳定性。最重要的是,研究还发现,减弱单体的富电性有利于提高水溶液中非均相催化剂的催化活性。
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