咪唑类离子型多孔有机聚合物的合成及其吸附与催化性能研究

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CO2排放是导致全球气候变化的主要原因之一,同时工业活动中产生的有机染料废水会对人类健康和生态系统造成危害。作为多孔有机聚合物(POPs)的一个子类,离子型多孔有机聚合物(iPOPs)由于具有带电骨架和相应的抗衡离子,在气体吸附分离、染料吸附、有机催化等领域具有良好的应用前景。咪唑类阳离子共价三嗪骨架(cCTFs)是iPOPs中的一种,由于具有富电子的三嗪环以及带电的网络骨架等特点而表现出优异的吸附性能,然而咪唑类cCTFs研究报道较少,开发种类丰富的新型咪唑类cCTFs是有必要的。另外,CO2虽是温室气体但也是一种丰富、廉价且无毒的C1资源,因此可以将捕获的CO2转化为高附加值的产品。咪唑类iPOPs是一种CO2转化的优良催化剂,但是大多数咪唑类iPOPs的合成条件较为苛刻,且在不采用助催化剂的温和条件下催化CO2转化的效率不高。本论文致力于咪唑类iPOPs的设计合成及其性质和应用性能研究。主要研究内容包括以下两个方面:1.合成了一种含有嘧啶和双咪唑阳离子的芳腈单体(PyImCl),随后通过ZnCl2催化的离子热法制备了一种双咪唑阳离子共价三嗪骨架(PyImCl-cCTF)。在77 K下的N2吸脱附等温线表明:PyImCl-cCTF具有较大的比表面积和丰富的微孔结构。再加上从双咪唑基单体中获得的高含量的咪唑阳离子,PyImCl-cCTF在273和298 K,1 bar的条件下分别表现出235和133 mg/g的高CO2吸附量,优于先前报道的其它cCTFs。另外,研究了PyImCl-cCTF对六种常见染料的吸附性能,带有正电荷骨架的PyImCl-cCTF对阴离子和阳离子染料都有一定的去除效果,并且可以通过静电作用快速去除阴离子染料,在20 min内几乎达到100%的去除效率。2.合成了一种含咪唑阳离子的芳香族胺类单体(ImNH2-Cl),并在相对温和的条件下采用无催化剂的席夫碱反应成功构建了一种咪唑阳离子多孔有机聚合物(Im-iPOP-Cl)。作为一种异相催化剂,Im-iPOP-Cl能在比较温和的条件下无需借助任何助催化剂和溶剂,催化CO2与环氧化合物反应生成高附加值的环状碳酸酯。对环氧氯丙烷的催化产率能够达到98.8%,并具有较好的底物适用性。而且Im-iPOP-Cl在重复使用5次后,仍然可以保持90%以上的催化产率,没有明显的活性损失。
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