聚合离子液体多孔材料的制备及其在CO2捕集中的应用基础研究

In this proposal, the polymerizable monomers of imidazole, pyridine, quaternary-N and quaternary-P type ionic liquids with different substituents are designed and prepared. The cations and anions of the ionic liquids are functionalized with amino group. Then, these polymerizable ionic liquid monomers are polymerized via the C=C polymerization with free radical method. In the polymerization process, the poly(ionic liquid)s with such pore structure will be formed through the self-assembly of the branched chain under different reaction conditions and chemical structure of the monomers. Furthermore, CO2 is introduced into the reaction system in the polymerization as the porogen. CO2 reacts with the amino group on the cations or anions of the ionic liquid monomers to form the carbamate, and then the carbamate are decomposed under certain temperature and pressure, thus the porous poly(ionic liquid)s with amino group are prepared. The physical and chemical properties (i.e. pore structure) of the prepared porous poly(ionic liquid)s are characterized with different methods (i.e. NMR, FTIR, BET etc)，in order to investigate the corresponding relations between the chemical structure of the monomers, the branched chain structure and the pore properties and the physical and chemical properties, moreover, to clarify the inner mechanism. The CO2 capture performances are used as the evaluation means to investigate the prepared porous poly(ionic liquid)s with amino group. The monomers structure and the preparation conditions will be adjusted according to the CO2 capture performances, therefore, the common methods of the functional porous poly(ionic liquid)s preparation and the relevant theory system are established.

设计并合成带有不同结构取代基的咪唑型、吡啶型、季铵盐型和季磷盐型可聚合离子液体单体，并对其阴阳离子进行氨基功能化，通过这些离子液体单体上可聚合片断实现单体的自由基聚合。在聚合中，通过改变单体结构和聚合条件，使聚合离子液体通过自组装形成具有一定孔结构的固体材料；进而，通过在聚合中引入CO2作为致孔剂，使其与离子液体单体上的氨基基团作用生成氨基甲酸盐，聚合离子液体形成后再除去CO2的方法制备多孔聚合离子液体。以NMR、FTIR和BET等手段对所得多孔氨基功能化聚合离子液体的孔结构等物化性能进行表征，从而得到阴阳离子的化学组成、单体侧链的碳链长度与多孔聚合离子液体孔道结构以及物化性质的对应关系，阐明其内在机理。以CO2捕集性能作为多孔聚合离子液体性能的评价手段，测定所得氨基功能化多孔聚合离子液体捕集CO2的性能，并依此调整单体结构及合成条件，建立合成多孔聚合离子液体材料的一般方法和相应理论。

近年来，温室气体CO2的大量排放，导致了日益加剧的温室效应，造成的全球气候变暖，CO2的捕集已经成为广泛的研究热点。功能化的离子液体对CO2有良好的捕集性能，而聚合离子液体在形成多孔结构后对CO2的吸收能力有显著提高。.本项目通过在聚合离子液体制备过程中引入CO2为致孔剂，制得7种聚合离子液体，并对其微观结构进行表征，并评价所得聚合离子液体对CO2的吸收性能。结构证明，采用CO2致孔剂可有效提高聚合离子液体的比表面积，提高其对CO2的吸收效果。.本项目首先制备了两种含氨基双键的离子液体单体，1-乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐和1-苯乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐，并对其进行结构表征和分析。以上述离子液体单体为基础，在聚合过程中通入CO2作为致孔剂与离子液体的氨基结合，生成氨基甲酸盐，并与N2气氛下的自组装聚合作对比。反应结束后，将产物真空升温，使氨基甲酸盐分解，还原氨基，得到如下7种聚合物：1-乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与DVB的共聚物、1-乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与丙烯酰胺、DVB的共聚物、1-乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与二烯丙基胺、DVB的共聚物、1-乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与油胺、DVB的共聚物、1-苯乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与DVB的共聚物、1-苯乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与二烯丙基胺、DVB的共聚物、1-苯乙烯基-3-氨基咪唑氢溴酸盐与油胺、DVB的共聚物。.对制得的聚合离子液体结构和性能进行表征，发现合成的聚合离子液体具有较高的热稳定性，能在300℃以前保持稳定。在CO2气氛下聚合的聚合离子液体比在N2气氛下聚合的比表面积及孔容更大。P([VAIM]Br/DAA/DVB)(CO2)比表面积最大为160.35m2/g，孔容36.85ncc/g，而P([VAIM]Br/DAA/DVB)(N2)的比表面积为94.39m2/g，孔容为21.69ncc/g，通过二氧化碳为致孔剂所得的聚合离子液体的二氧化碳吸附能力明显高于无致孔剂和以氮气为致孔剂所得聚合离子液体。