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熔融聚合制备高性能乙烯基共价有机框架多孔

来源:框架 时间:2022/7/18
南开大学张振杰课题组将“熔融聚合”策略引入到COF领域,通过添加苯甲酸酐等作为助熔剂,开发了“一步热成型”法,制备了一系列高结晶性的乙烯基COF多孔海绵,不仅为乙烯基COFs的制备提供了普适性方法,而且为COFs加工成型提供了新思路。

在工业应用中,为了实现吸附剂的高吸附分离性能,需要将吸附剂造粒成型,制备高稳定性的整体块材(例如,球、膜、气凝胶等)。这要求吸附剂不仅具有高吸附容量和选择性,而且具有良好的机械加工性、循环性和稳定性。共价有机框架(COFs)作为一种高比表面积和低骨架密度的晶态多孔聚合物,在吸附分离、催化等领域展示了应用潜力。然而,目前已报道的绝大多数COFs都是以粉末状态存在,其加工成型主要通过添加粘合剂(如聚合物)来实现,容易造成材料孔道堵塞、混合不均匀等问题。乙烯基连接的COFs具有高结构稳定性的优势,正在逐渐成为能源、催化等领域的新宠。然而,受制于合成方法(溶剂热法),纯乙烯基COFs的整体材料至今未见报道。

熔融聚合方法常用于制备线性聚合物,由于单体和聚合物均处于熔融状态,便于直接加工成型。受此启发,南开大学张振杰课题组将“熔融聚合”策略引入到COF领域,通过添加苯甲酸酐等作为助熔剂,开发了“一步热成型”法,制备了一系列高结晶性的乙烯基COF多孔海绵(图1)。

图1熔融聚合制备乙烯基COF示例

研究发现,熔融聚合生成的COF材料具有更好的结晶性、更高的比表面积和良好的机械性能(图2)。作者通过熔融聚合实现了乙烯基COFs的宏量(克级)制备,并且还可根据反应容器形状定制多孔海绵的外形(图3)。该研究为COF多孔海绵的合成提供了一种简易的、通用的合成策略,可在多种分离场景中实现高效分离。例如,一例具有超微孔(0.58nm)的新型乙烯基COF(NKCOF-12)通过此方法首次被合成,实现了乙炔/二氧化碳高效分离,乙炔纯化的综合性能超过了目前最好的分离材料。

图2(a-d)四种COF多孔海绵的形貌、结构和粉末数据;(e)四种COFs在77K条件下的氮气吸脱附曲线;(f)四种COFs的比表面积与文献报道比较

图3(a)熔融聚合法制备不同形状的COF多孔海绵;(b)用于克级制备NKCOF–12多孔海绵的合成过程;(c)左:NKCOF–12多孔海绵立在叶子上的照片;右图:NKCOF–12多孔海绵的SEM图像;(d)NKCOF–12多孔海绵切割成的不同外形固体;(e)NKCOF–12多孔海绵在g砝码下的照片

该工作不仅为乙烯基COFs的制备提供了普适性方法,而且为COFs加工成型提供了新思路。相关研究成果近日发表于ScienceChinaChemistry。详见:ZhangP,WangZ,YangY,WangS,WangT,LiuJ,ChengP,ChenY,ZhangZ.Meltpolymerizationsynthesisofaclassofrobustself-shapedolefin-linkedCOFfoamsashigh-efficiencyseparators.Sci.ChinaChem.,,65,

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