用于二氧化碳吸附的有机多孔材料的制备与性能研究

This proposal aims to design and prepare various heterocyclic moiety-containing conjugated organic building blocks with linear, planar and three-dimensional structure, and then cross-link these building blocks through efficient carbon-carbon or carbon-heteroatom bond-forming reaction polymeric materials with infinite network nanoporous structure. By varying the size, length and type of the core unit in the organic conjugated building blocks, the porosity parameters of the obtained organic porous materials, such as specific surface area, pore size and distruction can be tune to fulfill the size-fit concept between the pore size of the polymeric materials and the dimater of canbon dioxide molecule. Alternatively, the introduction of the native hetero atoms in the organic porous materials through employing heterocyclic compounds and of the polar moieties (carboxyl, hydroxyl, or amine) through the post-synthesis modification, will enhance the interaction between the pore surface of the organic porous material and carbon dioxide molecules. This above two approaches based on the basic concepts of supramolecular chemistry, can effectively improve the carbon dioxide sorption uptake capacity and sorption selectivity of organic porous materials. The sustainable preparation procedures, desorption behaviors, and the regeneration conditions of the organic porous materials will establish a solid base of developing practical carbon dioxide sorbents with high uptake capacity and sorption selectivity. Furthermore, it will benefical to the improvement of the living environment of mankind, the purification of natural gas, and the human survival in the closed space in the submarines and spacecraft cabins.

拟设计并合成多种具有线形、平面形以及三维结构的含有杂环单元的有机共轭建筑块，通过高效的碳-碳或碳-杂原子成键反应，将这些有机共轭建筑块连接起来，形成具有纳米孔道结构的无限网络材料。通过调节有机共轭建筑块的核心单元的大小、长度和类型等，可有效地调控所制备材料的孔道结构和比表面积、孔容与孔径分布等孔隙参数，以期达到有机多孔材料的孔道与二氧化碳分子的尺寸匹配。通过杂环基团引入原生性杂原子以及通过后修饰引入羧基、羟基或胺基等极性基团，增强有机多孔材料孔道表面与二氧化碳分子之间的相互作用力。此二途径基于超分子化学的基本概念，可有效提高有机多孔材料对二氧化碳的吸附容量与吸附选择性。经济可持续型制备以及脱附规律、再生条件的探索，为开发实用化的具有高效且选择性吸储性能的二氧化碳吸储材料奠定基础，将对从人类生存环境的改善、天然气的纯化、到海洋潜艇与太空舱封闭空间内人类生存质量的提高，具有非常重要的意义。

设计并合成了多种具有线形、平面形以及三维结构的含有氮、硫等杂原子的的咔唑、噻吩等杂环单元的有机共轭建筑块，通过高效的碳碳成键反应的交联方式，将这些有机共轭建筑块连接起来，形成具有纳米孔道结构的无限网络材料。通过多种技术表征、孔隙性以及吸附性能的表征，表明获得的有机多孔材料均为微孔材料，具有较大的比表面积和较窄的孔径分布。通过调节有机共轭建筑块的核心单元的大小、长度和类型等，可有效地调控所制备材料的孔道结构和比表面积、孔容与孔径分布等孔隙参数，达到了有机多孔材料的孔道与二氧化碳分子的尺寸匹配。通过杂环基团引入原生性杂原子的基团，增强有机多孔材料孔道表面与二氧化碳分子之间的相互作用力。这两个基于超分子化学的基本概念，可有效提高有机多孔材料对二氧化碳的吸附容量与吸附选择性。这些结构特性使得这些有机多孔材料呈现出优良的气体吸附性能。作为固体吸附材料，在某些封闭空间和特定场合，具有重要的应用价值。经济可持续型制备以及脱附规律、再生条件的探索，为开发实用化的具有高效且选择性吸储性能的二氧化碳吸储材料奠定基础，将对从人类生存环境的改善、天然气的纯化、到海洋潜艇与太空舱封闭空间内人类生存质量的提高，具有非常重要的意义。