多取代双吡咯烷季铵结构导向剂合成新结构硅酸盐分子筛

Microporous silica zeolites have wide applications in catalysis, adsorption, separation and ion-exchange. However, among the 235 types known zeolite structures, less than 20 types have been applied. It is of great importance to discover new silica zeolite structures because the unique structural characteristics may lead to new and/or improved applications. The utilization of pre-designed novel organic structure directing agents (OSDAs) is the most efficient strategy to produce new zeolite structures. In this project, a series of dipyrrolidinium cations with different substitutes as OSDAs will be synthesized through a new synthetic route. Meanwhile, the size, shape and conformation of the OSDAs can be modified in this strategy. We will apply the combinatorial synthesis technique to discover new silica zeolite structures using the above-mentioned OSDAs. The new zeolite structures can be determined by techniques based on X-ray crystallography and electron crystallography. The combination of computer simulation and characterization of products during different crystallization stages will help us to understand the structure directing role of the OSDAs and the crystallization mechanism. This project introduces new perspective and provides the basis for developing new efficient zeolite catalysts.

微孔硅酸盐分子筛在催化、吸附、分离和离子交换等方面具有广泛的应用。然而，在现有的235种分子筛结构类型中，真正得到实际应用的不足20种。新结构分子筛的独特孔道结构可能带来新的应用或提高相应的应用性能，因此开发新结构硅酸盐分子筛具有重要意义。使用预先设计的新型有机结构导向剂是获得新结构分子筛最有效的途径。本项目通过新的合成路线合成一系列带有不同取代基的双头吡咯烷季铵有机结构导向剂，并实现调控其尺寸、形状和空间构型。采用组合合成技术开展上述有机结构导向剂合成分子筛的研究，以期发现具有新结构的硅酸盐分子筛。利用X射线晶体学和电子晶体学技术解析新分子筛的结构。结合模拟计算和不同晶化阶段的表征结果，研究有机结构导向剂的导向作用和分子筛的晶化机理。本研究就将为开发具有新结构的高效的分子筛催化材料提供新思路和奠定基础。

以分子筛为代表的传统多孔材料和以金属有机框架材料和共价有机框架材料为代表的新型多孔材料具有高比表面积，特殊的孔道结构被广泛应用在催化、吸附分离和离子交换等领域。本项目以开发具有新颖结构和功能性的多孔材料为目标，开展了利用新型双头吡咯烷季铵型、苦参碱型和商用有机超强碱等有机结构导向剂合成新结构分子筛的研究。尽管采用上述有机结构导向剂并没有导向得到新结构分子筛，但仍然得到一些非常有意义的结果。比如，使用1,6-双(2',5'-二甲基-N-甲基吡咯烷)己烷季铵碱合成了由纳米针状薄片组装成的中空“海胆形”STO型全硅分子筛；利用简单修饰的苦参碱合成了具有30元环和28元环目前孔道最大的两种分子筛ITQ-37和ITQ-43；以工业级1,8-二氮双环[5.4.0]十一烯为有机结构导向剂制备了UTL型超大孔分子筛。另外，以紫精类羧酸配体构筑了具有光/气致变色和质子传导性能的多功能超分子网络结构。最后，我们制备了三维介孔氮掺杂的赤铁矿作为碱性锌电池的正极材料，该体系电池展示出优异的电容量、高能量密度和稳定性。上述的研究对于制备特定结构分子筛和功能多孔材料具有启示性意义。另外，使用易获得、可持续和廉价的天然产物合成多孔材料具有一定的实际应用前景。