多孔有机聚合物负载孔内和表面金属纳米粒子的可控合成和催化

Porous organic polymers (POPs) are one of promising supports in heterogeneous catalysis because of intriguing advantages, such as large surface area, high thermal stability, simple synthetic methods and ready modification. Aiming at organic reactions catalyzed by metal nanoparticles (NPs), a series of POPs containing different functional groups, substituents and porous properties will be prepared, new methods for POPs synthesis will be established and developed. POPs-supported metal NPs and the alloy nanoparticles with pre-designable size, location and distribution will be synthesized in the controllable manners. The general methods for the synthesis of metal NPs, which are uniformly distributed in the interior pores of POPs or on the external surface of POPs, will be explored. The synergetic effects of steric，coordination, electrostatic and confinement interactions of POPs on metal nanoparticles and catalytic performances will be disclosed. The relationship between metal NPs in the interior pores and porous properties, such as surface area, pore size and pore volume, will be clarified. New methods for the stabilization of surface metal nanoparticles in POPs will be provided. The highly efficient heterogeneous catalytic systems under mild conditions will be developed. This project will publish 12-15 articles, apply for 2-4 patents and train 5-8 graduates.

多孔有机聚合物（POPs）具有比表面积大、稳定性高、合成方法多样和官能团化简单等优点，在多相催化领域有着潜在的应用前景。申请人将围绕着金属纳米粒子催化的有机反应，构筑系列含有不同功能基团、取代基和孔性质的POPs，建立和发展POFs的构筑方法和思路。使用POPs作为金属纳米粒子的载体，发展金属纳米粒子以及贵金属和非贵金属合金纳米粒子的尺寸、分布和位置等调控技术，获得单重分布在POPs孔内以及表面金属纳米粒子普适性合成方法，揭示POPs的立体、静电、配位和限域等协同作用对纳米粒子和催化性能的影响规律，确定单重分布在孔内的纳米粒子和POPs的比表面积、孔径、孔容等孔性质间的关系，寻找出负载在POPs表面金属纳米粒子稳定的新途径，发展温和条件下高效多相催化体系。预期发表论文12-15篇，申请专利2-4项，培养研究生5-8人。

根据项目任务书，该项目的关键是可控构筑多孔有机聚合物（POPs）负载的金属粒，建立POPs结构和孔性质对金属纳米粒和催化性能的影响规律，发展温和条件下高效多相催化体系。为此，我们通过发展POPs构筑方法，制备了系列含有羧基、咪唑阳离子、联吡啶和卟啉等功能基元的POPs及其复合材料。使用它们作为载体，通过创新金属纳米粒负载技术，可控合成出具有特定尺寸、高分散和均匀分布的超细金属纳米粒。研究了孔性质和形貌对催化活性位点数目和本质活性的影响，发展了同步提高催化活性和稳定性的方法。取得了下列重要进展：1）发展了构筑基元的模块化组装策略，建立了分子层次上调控POPs结构、孔性质、金属纳米粒分布和催化性能的普适性方法。2）提出了特定功能POPs构筑的新思路，实现了催化活性组份在POPs骨架或孔内的定向负载，建立了超细金属纳米粒可控合成的普适性方法。3）发展了POPs同金属有机框架、无机材料和碳点复合技术，解决了金属纳米粒在高温焙烧过程中团聚和分散的问题。4）提出POPs及其衍生材料负载金属纳米粒催化效应促进多硫化物动力学转化的策略，创制了系列高性能锂硫电池隔膜和正极材料。在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.和Sci. China Chem.等国际有影响力期刊发表论文27篇，申请专利3件。培养研究生7人，不仅完成了预期目标，还将研究体系拓展到POPs复合材料及其衍生材料负载纳米粒的催化和能量存储上，对新型高效多相催化和储能材料的发展提供了新的研究思路和材料基础。