含氟有机多孔材料在潮湿环境下稳定性研究

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有机多孔材料是由轻元素以共价键的方式连接,通过种类繁多的合成方法和构筑基块去定向设计合成带有期望性质的多孔材料。合成方法主要分为两类,一类是不可逆反应,如:Suzuki、Ullmann、Sonogashira和Heck反应等,生成稳定的共价键;一类是可逆反应,如:席夫碱、硼酸缩聚反应等,生成稳定性较差的共价键,其在水蒸气、强酸、强碱等环境中容易分解。有机多孔材料在催化、传感、离子捕获、储能和载药等诸多方面有着优异的性质,有望投入到实际生产中。然而,以实际的工业化应用为目标,有机多孔材料不仅要具备突出的性能,同时也要拥有在实际应用环境中必须的良好稳定性。空气是多孔材料使用中最常见的环境之一,空气中的水蒸气是影响材料稳定性的主要因素。因此,探究有机多孔材料在潮湿环境中的稳定性具有现实意义。一方面考虑到材料合成方法对材料形成化学键的影响,另一方面考虑材料表面润湿性的影响,综合多种因素来探究有机多孔材料在潮湿环境中的稳定性,采用控制变量法去设计和实施实验。通过Suzuki反应,构筑疏水有机多孔材料PAF-11-Xs材料,作为以Suzuki、Ullmann、Sonogashira和Heck等这一类不可逆反应生成稳定共价键类型的代表。通过掺入不同比例的氟化物来改变材料的表面润湿性,随着氟化物掺入的增加,材料的比表面积逐渐下降,疏水性逐渐提高。选择六种不同相对湿度的环境来测试材料的稳定性,发现PAF-11-Xs材料在潮湿环境中能够稳定存在至少一个月的时间,材料连接化学键的稳定性及疏水性使其在潮湿环境中能够稳定存在,为工业化应用提供了可靠的前提。采用席夫碱反应,构筑碳氮双键偶联的有机多孔材料C-Xs材料,作为硼酸自聚、硼脂共聚等一系列可逆反应的代表。引入氟基团探究其稳定性,对可逆键连的多孔材料在潮湿环境下的实际应用性有巨大的指导意义。通过对比不含有氟原子的C-1和C-3材料和含有氟原子的C-2和C-4材料,证明氟原子在材料稳定性中起到的作用。引入氟原子后,材料由亲水性转变为疏水性。在潮湿环境中,不含有氟原子材料不能稳定存在,化学键断裂明显;掺入氟原子后的材料能够稳定存在,化学键没有发生变化。掺入氟原子后材料疏水性增加,减少水分子对骨架的破坏,提高材料在潮湿环境中的稳定性。采用不可逆的胺醛缩合反应生成稳定的化学键,构筑超亲水有机多孔材料SNW-Xs材料。在掺入不同比例的氟化物后,材料的表面润湿性没有明显改变,一系列的SNW-Xs材料都为超亲水材料。SNW-Xs材料骨架亲水能力远超过氟原子带来的疏水性,同时材料连接的化学键十分稳定,水分子不能破坏材料的化学键,使其能够在潮湿环境中稳定。通过对比不同反应类型下的疏水、亲水和超亲水有机多孔材料在潮湿环境中的稳定性,总结影响材料稳定性的因素。
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