草怕津基多孔有机聚合物的设计合成、孔结构调控及CO2吸附机制研究

Designing, synthesis and exploring the applications of nanoporous organic polymers (NOPs) are of great essence, concerning the continuous environmental challenges and energy crisis today. Porous organic polymers (POPs) always suffer from low CO2 adsorption capacity at low pressure, and lame CO2/N2 selectivity. Combining the “bottom-up” and “top-down” technology, this project plans to introduce heptazine moieties into porous polymers with high surface areas and tailor the pore surfaces and pore sizes to promote host-CO2 interaction. A high selective (CO2/N2: 100~200, 273K/1bar) and highly effective CO2 capture could be expected in this project due to the promoted host-guest interaction brought by the pore engineering via the introduction of CO2-favorable sites. The influence of the chemical structure, porosity, microstructure, morphology on adsorption capacity is investigated in detail. The effect of the synthetic conditions and altering strategy of pore structure are also clarified. Moreover, the effect rules of electron-rich unit on gas sorption for CO2 capture are emphatically probed. Basing on above research, we will present a novel method for constructing POPs with highly effective and tunable CO2 capture. We aim to expound its CO2 adsorption/desorption mechanism, achieving the high capacity and selective separation towards CO2. This work will also provide some beneficial references for the future design and development of highly effective carbon capture materials.

围绕社会可持续发展所面临的环境和能源问题，从分子水平审视多孔有机聚合物功能材料的设计合成和应用，具有极其重大的科学意义和应用前景。本项目针对多孔固体碳捕获时低压区吸附量小和选择性低等瓶颈，拟从廉价的草怕津衍生物出发，构筑具有高比表面积和高湿热稳定性的新型微孔有机聚合物；探索采用前剪裁-后修饰两步法引入侧基调控孔结构和活性位点的分布情况，提高骨架与CO2的作用力，创制低成本、高容量和高选择性的CO2吸附材料；阐明合成规律，掌握比表面积、孔尺寸和表面极性调控策略，探索聚合物化学结构、孔结构和微观结构与稳定性和吸附性能之间的关系；结合模型实验和理论计算，通过主客体相互作用行为研究探明草怕津等单元等对CO2吸附性能等的影响规律；重点研究CO2吸附机制，建立构筑安全高效捕获CO2用多孔有机聚合物的方法。项目的开展将丰富功能高分子材料的内容，为高效碳捕获介质的设计及开发提供相关科学依据。

围绕社会可持续发展面临的环境和能源问题，项目组从分子模拟和设计出发，针对多孔固体碳捕获时吸附量小和选择性低等瓶颈，从廉价的草怕津衍生物出发，构筑出了系列具有高比表面积和高热稳定性的新型微孔有机聚合物如聚酰胺，聚酰亚胺、聚三苯胺和聚卡宾。开发了三种孔结构调控策略，实现了亲CO2活性位点的定向控制和均匀分布，提高了骨架与CO2的作用力，创制出系列低成本、高容量和高选择性的CO2吸附材料；对合成规律，表面极性调控策略进行了深入研究，探索掌握了聚合物化学结构、孔结构和微观结构与稳定性和吸附性能之间的关系；结合模型实验和理论计算，通过主客体相互作用行为研究探明了草怕津等主要活性单元等对CO2吸附性能等的影响规律；研究了CO2吸附机制，建立了构筑安全高效捕获CO2用多孔材料方法，并拓展了在CO2催化转化，药物中间体制备等的应用。在此基础上，项目组在ACS catalysis、Journal of Catalysis、Chem Communication、J Mater Chem A和Macromolecules等国际权威刊物发表研究论文四十余篇，其中影响因子大于10有7篇，ESI学科全球高被引论文3篇，封面论文3篇，热点论文1篇，论文他引1000余次。相关工作在包括The 15th Pacific Polymer Conference 和Chinese-German Symposium GZ1322 and Cooperation等在知名国际会议受邀报告6次，以第一发明人申请国家发明专利10项，目前已授权8项。先后获2018年的茅以升教师科研奖，2019年的湖南省自然科学二等奖和2020年中国化工科学技术奖（侯德榜青年奖）。在执行期内，项目得到了顺利开展，丰富了功能高分子材料的内容，为高效碳捕获介质和碳转化催化剂的设计及开发提供了一些有益的科学依据。