新型三维多孔有机骨架的设计合成与性质研究

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多孔有机骨架材料作为一种新兴的多孔材料,由于其具有高的比表面积、低的骨架密度(骨架基本由C、B、N、O、H等轻元素构成)以及其合成方法的多样性和骨架可修饰的灵活性,近年来受到各国科学工作者的广泛关注。而网状化学的引入则使得多孔有机骨架材料的合成更有目的性。本论文通过选择具有不同结构特点的刚性有机单体作为骨架的基本构筑单元,采用合适的有机聚合反应,成功的制备了一系列新型三维多孔有机骨架材料。目的在于探索如何在网状化学的指导下,设计合成具有特定结构及应用性能的三维多孔有机骨架材料。同时,为了扩大多孔有机骨架材料在实际生活中的应用范围,本论文还探索了低成本多孔有机骨架材料的合成研究。首先,我们选择了一个具有立方体构型的八节点有机单体--八碘代苯基立方硅烷,通过其与1,4-苯二硼酸的Suzuki偶联反应成功的制备了一个三维多孔有机骨架材料PAF-12。该材料具有非常高的热稳定性和化学稳定性。通过X-射线粉末衍射、透射电镜等表征手段及孔性质分析,我们发现合成的PAF-12材料可能具有LTA结构。同时,PAF-12对苯和甲醇表现出高的吸附能力表明其在有机污染物处理方面具有很好的应用前景。其次,我们利用具有正四面体构型的四节点有机单体--四苯基甲烷及其硅、锗类似有机单体,通过廉价催化剂无水氯化铁参与的傅氏烷基化反应,成功的合成了三个骨架中带有柔性基团的低成本三维有机骨架材料PAF-79。对其进行氮气吸附表征,我们发现,PAF-79具有较高的比表面积。同时合成的材料对二氧化碳和甲烷具有较高的吸附能力,这为其在环境及能源问题中的应用奠定了良好的基础。最后,通过傅氏烷基化反应,我们选择带有官能团的四苯基甲烷作为有机单体,成功的将氨基和羟基官能团引入到了多孔材料骨架中。通过对其进行二氧化碳吸附测试,我们发现,骨架中引入杂原子的多孔有机骨架材料PAF-7-NH2和PAF-7-OH相比于骨架中未引入官能团的材料PAF-7,其二氧化碳吸收量都增加了,这说明傅氏烷基化反应还可以成功的应用到低成本功能化多孔有机骨架材料的合成中来。
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