具有氙氣吸附性能的晶態多孔有機框架材料的定向合成

《具有氙氣吸附性能的晶態多孔有機框架材料的定向合成》是依託東北師範大學，由朱廣山擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：具有氙氣吸附性能的晶態多孔有機框架材料的定向合成
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：朱廣山
• 依託單位：東北師範大學

項目摘要

氙氣是一種重要的稀有氣體，廣泛套用於照明、光學、醫學、核磁共振等。由於氙氣的化學惰性及極低濃度，因而尋找一種高效生產氙氣的方法成為研究熱點。基於多孔材料的吸附法具有低能耗、經濟實用、重複性高等特點。多孔有機框架材料（Porous Organic Frameworks, POFs）由於高比表面、可調微孔結構、高穩定性，成為製備高效多孔吸附劑的理想材料。本項目主要從材料角度出發，通過定向構築對氙氣具有高吸附量、高選擇性的晶態POFs材料。具體研究內容擬從以下三方面詳細展開：（1）精確合成具有合適孔道大小的晶態POFs，深入理解晶態POFs的形成機理，探究孔道大小與氙氣吸附性能的關係。（2）製備具有功能化的晶態POFs，研究功能團與氙氣分子之間的作用關係。（3）晶態POFs對氙氣吸附性能的評估，掌握POFs材料中對氙氣吸附起關鍵性作用的因素，實現可控制備高效的POFs材料套用於氙氣吸附和存儲。

結題摘要

本項目主要圍繞著一下三個方面進行展開：（1）製備結構可調的晶態多孔有機框架材料：通過選擇三節點的短鏈有機分子，通過離子熱及耦合反應，合成了晶態及準晶態的超微孔有機材料。合成的CTF-0, PAF-45, PAF-67的孔道大小約為5.0 Å，比表面積為528.4-951.4 m2/g，微孔體積為0.158-0.286 cm3/g。以二節點NTCDA和三節點TAPA單體交替連線的方式，構築了二維六方結構的PAF-110晶態材料。合成的PAF-110的孔道大小為26 Å、比表面積為910 m2/g。以四節點單體DTM1和DTM2，通過自聚的方式，合成了具有金剛石拓撲的超空曠結構。合成的PAF-100和PAF-101的孔徑大小為1.4 nm和1.3 nm。V-字型配體4,4’-sulfonyldibenzoic acid與金屬鈣離子配合連線成了一維孔道結構，CaSDB孔道大小約為5.0 Å。（b）晶態多孔有機框架材料的功能化：利用磺化的手段，在PAF-45S骨架上引入了磺酸基，每四個苯環共享一個磺酸基團。以帶羧酸基團的二胺2,5-diaminobenzoic acid (DAA)為構築單元，構築了羧基、含鈣、含鍶、含錳的MOOC-COFs晶態有機框架材料。通過交換單體的方式，合成了含有吸附位點和水解位點的MIPAFs 1-9九個化合物。（c）晶態多孔有機框架材料的氣體吸附：我們根據孔化學的基本原理，探討了多孔有機框架材料在吸附分離中的套用。我們探討了小孔的CTF-0, PAF-45, PAF-45S, PAF-67, CaSDB對氙氣氪氣的吸附及分離。吸附測試結顯示PAF-45, PAF-45S, CaSDB對氙氣/氪氣的分離比分別是8.1, 16.7, 20.5。開發了PAF-110在乙炔/乙烯分離的套用，PAF-110對乙炔的吸附量為3.48 mmol/g，乙炔/乙烯分離比為3.9-8.0。探索了PAF-100與PAF-101對甲烷的存儲能力，PAF-100與PAF-101對甲烷的最大吸附量高達742和622 cm3/g。評估了MOOC-COFs在氨氣封存方面的潛力，其中在298 K下MOOC-COFs對氨氣的吸附量為14.3 mmol/g。總之，我們開展了晶態多孔有機框架材料的設計合成、功能化、氣體分離與存儲三方面的研究工作。