智能超分子气凝胶的结构设计、性能调控及其应用研究

Fresh water is a valuable resource because it is essential to human being’s life and activities. However, fresh water is a limited resource and unevenly distributed, and it’s always under threaten of contamination. Therefore, it is necessary and urgent to developing high-efficiency water treatment materials and technologies. Cyclodextrins (CDs) are one of the most attractive materials because they are natural products and harmless to the environment, and could adsorb various organic and inorganic molecules or ions. Therefore, in this proposal, a novel kind of CD based smart supramolecular aerogels are designed in order to fundamentally promoting the capacity of CDs by introducing porous structure with extremely high specific surface areas. That is, by using CD and polyrotaxane (PR) as co-precursors, the effects of PR, molar ratio between PR and CD, and the cross-linkers on the structures and properties of the target aerogels will be investigated. The relationship between the structures and properties of the aerogels will also be systematically studied. Finally, the performance of the CD based supramolecular aerogels in water treatment will be evaluated. Through the project, we intend to obtain a novel type of supramolecular aerogels with hierarchic pores and stimuli-responsive supramolecular structures, and exploit their application in high efficiency water treatments.

淡水是人类赖以生存的基础，也是产业不可或缺的资源。然而淡水极其有限、分布不均、同时面临严重的污染问题，因此水处理材料的研发具有重要的科学和战略意义。环糊精在水处理中表现优异，其为天然产物、绿色环保，能吸附各种有机无机分子和离子。本项目拟合成基于环糊精的智能超分子气凝胶，即分别以环糊精和聚轮烷为共前驱体，通过溶胶-凝胶化学和超临界干燥，合成具有多级孔（分子空腔、微孔、介孔）和超分子结构的气凝胶，以期实现环糊精空腔吸附的同时实现巨大比表面积的吸附、以及智能控制吸附等。研究聚轮烷组成、与环糊精配比、交联剂种类及用量等对目标气凝胶结构的影响规律和性能调控机制；揭示多级孔与超分子体系有机结合于一体的气凝胶的构效关系；探索此类气凝胶在复杂成份和超低浓度污水处理中的应用；最终，获得结构与性能可控的智能超分子气凝胶及其制备方法，并初步实现其在水处理中的应用。

气凝胶是一类由溶胶-凝胶化学转变，再通过特殊干燥工艺制备得到的一类多孔材料，在节能减排、油水分离、水处理、催化剂载体、药物控释等方面具有巨大的应用价值。通常材料的结构与性能有直接的联系，因此结构设计与调控是材料合成的重要环节之一。由于气凝胶的多孔结构主要在溶胶-凝胶化学转变过程中形成的，而这一化学过程可控性差，如何通过凝胶过程实现对气凝胶孔结构的设计、获得预期的性能和目标，是本领域面临的重要科学问题之一。为此，本项目通过超分子自组装的设计，以期通过超分子自组装的实现对气凝胶孔结构的调控，并最终实现其性能的可设计化。主要研究内容包括合成基于环糊精的智能超分子气凝胶，即分别以环糊精和聚轮烷为共前驱体，通过溶胶-凝胶化学和超临界干燥，合成具有多级孔（分子空腔、微孔、介孔）和超分子结构的气凝胶，并实现了温度调控的亲疏水转变、以及基于聚酰亚胺的仿生自组装结构的超疏水调控。制备得到系列力学强度达160Mpa，比表面积高达232 m2/g。此外研究过程发现并系统研究了环糊精在DMF中的LCST现象（最低临界溶解温度），即当α-环糊精和γ-环糊精的浓度大于0.08 g/ml的时，温度升高到70 ℃ 以上，环糊精分子沉淀析出，温度降低到70 ℃以下又溶解发现α-环糊精和γ-环糊精在DMF溶液中会随温度的升高而析出，随温度的降低可逆的溶解，析出物形成规整的排列并具有开放的分子空腔。通过本项目的实施，制备了系列基于环糊精和有机无机的超分子气凝胶，实现了气凝胶孔的有序化调控以及气凝胶在固态下的固态刺激响应，完成了预期科学目标，开辟了气凝胶的一个新的研究方向，并为孔结构设计贡献了一种可行的思路。