多孔有机聚合物的制备及吸附和催化性能研究

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在能源技术,可持续发展,清洁水和健康生活等领域,人们积极寻求多孔聚合物来应对当今的挑战。多孔聚合物在现代工业和日常生活中不可或缺,例如,在柔软的海绵,织物和过滤器/隔离器中,它们可以提供清洁的水和/或改善电池电量。除了大的表面积外,多孔聚合物还具有加工性能高,资源便宜,重量轻以及用于改性和功能化的多种化学性质。多孔有机聚合物材料(Porous Organic Polymers,POPs)由于其组成元素轻、自身有高的比表面积、定义明确的多孔结构,独特的电荷特性在吸附分离和催化方面具有优异的性能,已成为目前科学研究的热点。本文设计合成了三种多孔有机聚合物材料,分别对这三种聚合物材料进行了结构表征,并且对其吸附、催化性能进行研究。在第二章中,我们报道合成了一种离子液体功能化的共价有机聚合物(Ionic covalent organic polymer,ICOP)。它由1,2,4-三氮唑离子液体和硼酸酯类物质通过铃木偶联反应一步合合成离子型共价有机聚合物(ICOP)。ICOP具有无定形结构和良好的热稳定性和化学稳定性,在甲基蓝的吸附中表现出优异的吸附性能,在混合染料的吸附中表现出较高的选择性,并且在多次循环使用后仍具有较高的吸附性能。该离子型共价有机聚合物(ICOP)区别于其他物质的方面在于该聚合物自身带有阳离子骨架,并且可以通过离子交换和孔吸附协同作用去除阴离子染料。ICOP对浓度为400 mg L-1的MB可以在20分钟内实现吸附平衡,这比非离子COP快得多。此外,在连续10次循环后,ICOP具有很高的稳定性,对MB的去除率超过85%。同时还证明了ICOP对于水溶液中若丹明B或甲基橙对MB的混合染料的选择性吸附是有效的,这项工作预示着ICOP在污水处理中的实际应用的合理设计。在第三章中,我们报道合成了一种掺氮多孔碳材料,该材料是由多孔的聚离子液体膜通过一步真空碳化直接得到氮掺杂的多孔碳膜,该材料的研究重点是在能量产生/转化系统和环境修复中。在本文中,我们发现多孔聚离子液体膜经过真空碳化后形成N掺杂的分级多孔膜(N-doped hierarchical porous membrane,HNCM),该材料能够在环境条件下快速,稳定和高效地催化电合成芳基硼氧烷。该方法在合成具有广泛官能团的芳基硼氧烷中表现出优异的催化性能。研究证明,通过使用工作面积为5.0cm x 3.0 cm,厚度为73μm的HNCM作为电极材料,可以在7小时内合成8.05g的芳基环硼氧烷,分离产率为86%,这充分说明了其作为工业电合成系统的潜力。在第四章中,论文将从多孔材料应用最广泛的非均相领域出发,利用多孔有机聚合物中最具有应用价值的共价有机聚合物材料(COFs)的特征,制备出了具有优异催化性能的非均相催化剂。由于COFs具有明确定义的孔结构且具有大的表面积和良好的化学、物理稳定性。其中,几乎不溶于有机溶剂这一特点作为非均相催化剂是不可或缺的。基于COFs材料的众多优点,我们设计合成了一种Salen-COF,这种COF材料由于具有N、O空位和可调节的孔结构,是众多金属离子配位的良好前驱体,配位后的Pd-salen-COF依旧具大的比表面积和稳定的化学结构。基于上述的优势,我们将Pd-salen-COF用于铃木偶联反应,与其他报道的均相催化剂相比,该催化剂能在较低的温度(60℃)和较短的时间内(5h)分离产率达到92%,且合成的催化剂具有较高的循环稳定性,经过5次循环后产率仍可以达到77%。因此,该催化剂被认为是在非均相催化领域最有应用前景的材料之一。
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