發(fā)布時間：2017-05-19 00:14

  本文關鍵詞：富氮型有機微孔聚合物的制備及其氣體吸附性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：有機微孔聚合物(MOPs)具有比表面積大、化學和熱穩(wěn)定性良好、骨架密度低和合成策略多樣等優(yōu)點,因此在氣體吸附、小分子分離和非均相催化等領域具有廣闊的應用前景。有機微孔聚合物材料根據(jù)其分子結構的特點,可分為自具微孔聚合物(PIMs)、共軛微孔聚合物(CMPs)、共價有機網(wǎng)絡(COFs)和超交聯(lián)微孔聚合物(HCPs)等。研究表明,在有機微孔聚合物固體吸附劑中引入一些極性的功能基團(如-NH2,-OH,-NO2,-COOH,-SO3H等)可有效提高其對氣體(如H2, CH4, CO2)的吸附性能。功能基團的引入雖然可以大幅度提高二氧化碳的吸附量,但是卻占據(jù)了微孔材料的孔結構,使材料的比表面積大幅降低。因此,為了獲得同時具有高比表面積和高吸附性能的有機微孔聚合物,我們嘗試在聚合物的骨架中引入氮原子以形成富電子的雜環(huán)有機微孔材料,氮原子的引入可以增強吸附劑與二氧化碳分子間的作用力,提高其對二氧化碳的吸附能力,同時氮原子引入到聚合物的主體骨架中而不是作為側基,因此制備的有機微孔聚合物可期望展示出高的比表面積�；诖�,本碩士論文合成了一系列富含氮元素的CMPs, HCPs及碳材料：1.本論文首先設計合成了兩個以三苯胺為基本結構單元的單體,并利用Suzuki及Yamamoto偶聯(lián)反應合成了兩種富氮型共聚和自聚CMPs材料。通過對制備聚合物的孔性能及氣體吸附性能的研究表明,由催化活性更高的Ni(cod)2催化生成的自聚物YPTPA具有更高的交聯(lián)度,比表面積為1557m2/g,二氧化碳吸附量達3.03 mmol/g (1.13 bar/273 K)。同時,其對C02/N2的選擇吸附分離指數(shù)為17.3：1。該研究結果表明在聚合物骨架中摻入氮原子能夠增強聚合物表面與二氧化碳分子間的相互作用力,進而提高其對二氧化碳的吸附量。兩種共軛微孔聚合都具有比表面積大、結構易于調控、二氧化碳吸附性能突出等優(yōu)點,但在合成過程中需要使用過渡金屬催化劑,制作成本相對較高。2.為了設計合成反應條件更溫和、成本更低廉的富氮型有機微孔材料,我們把研究焦點投向了超交聯(lián)微孔聚合物。我們設計合成了兩種咔唑結構的單體,并利用一步式傅-克烷基化反應(Friedel-Crafts)合成了超交聯(lián)微孔聚合物,該反應利用二甲氧基甲烷(FDA)為外交聯(lián)劑、無水FeCl3為催化劑,制備方法簡便、易于操作且副產(chǎn)物少。通過對材料物理化學性質的研究,我們發(fā)現(xiàn)交聯(lián)度更大的聚合物FCTCz具有更高的比表面積(1845m2/g)、更出色的二氧化碳(4.63 mmol/g,1.13bar/273 K)和氫氣吸附(1.94 wt%,1.13 bar/77 K)性能。由于制備的富氮型超交聯(lián)微孔聚合物具有合成方法簡單、比表面積高且二氧化碳吸附性能突出等特點,因此在二氧化碳的捕獲和分離方面有很大的應用前景,但超交聯(lián)微孔聚合物在材料的孔隙大小和分布方面難以實現(xiàn)有效控制。3.為了改善超交聯(lián)微孔聚合物的物理化學性質,獲得具有更好氣體吸附性能的材料,我們首先將前文中以三苯胺為基礎的單體通過傅-克烷基化反應制備超交聯(lián)微孔聚合物,隨后使其在高溫下碳化,制備了系列富氮型碳材料。為了考察KOH活化劑在碳化過程中的作用,我們將一組聚合物直接碳化,另外一組先與KOH活化后再碳化。對比研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)KOH活化后的碳材料的氣體性能有了明顯提高,其中碳材料FCDTPA-K-700具有最高的比表面積(2065m2/g),且二氧化碳吸附量高達6.51 mmol/g (1.13 bar/273 K).這主要是由于KOH在聚合物碳化過程中起著重要的支撐作用,可以防止聚合物的孔結構坍塌,另一方面做為模板劑在碳化過程中產(chǎn)生新的孔結構,因此可在較大程度上提高材料的氣體吸附性能。4.我們將前文中咔唑結構的超交聯(lián)聚合物與KOH活化后在不同溫度下碳化,其中樣品FCBCz-600的二氧化碳吸附量高達 6.38 mmol/g (1.13 bar/273 K),具有最高比表面積(2357m2/g)的樣品FCBCz-700的氫氣和甲烷吸附量分別為2.85 wt%(1.13 bar/77.3 K)和2.39 mmol/g (1.13 bar/273 K),實驗發(fā)現(xiàn)除了KOH以外,碳化溫度也會影響碳材料的性能。通過簡單的高溫碳化,我們得到了具有良好氣體吸附性能的碳材料,這些材料制備方法簡單、原料廉價易得,可廣泛應用于氣體的存儲和分離,為制備新型的碳材料提供了新思路。
【關鍵詞】：有機微孔聚合物 共軛微孔聚合物 碳材料 氣體吸附 二氧化碳俘獲
【學位授予單位】：陜西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O631
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-22
• 1.1 有機微孔聚合物的研究進展11-18
• 1.1.1 自聚微孔聚合物11-13
• 1.1.2 共價有機網(wǎng)絡13-15
• 1.1.3 共軛微孔聚合物15-17
• 1.1.4 超交聯(lián)微孔聚合物17-18
• 1.2 有機微孔聚合物的應用18-20
• 1.2.1 催化領域的應用19
• 1.2.2 氣體分離及存儲領域的應用19-20
• 1.2.3 光電材料領域的應用20
• 1.3 論文研究目的及創(chuàng)新點20-22
• 第2章 三苯胺結構的CMPs合成及性能研究22-34
• 2.1 引言22-23
• 2.2 實驗部分23-27
• 2.2.1 實驗原料23
• 2.2.2 三苯胺結構的單體及CMPs的合成23-26
• 2.2.3 制備聚合物的性能表征26-27
• 2.3 結果與討論27-33
• 2.4 本章小結33-34
• 第3章 咔唑結構的HCPs合成及性能研究34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 實驗部分34-37
• 3.2.1 實驗原料34-35
• 3.2.2 咔唑結構的單體及HCPs的合成35-37
• 3.2.3 制備聚合物的性能表征37
• 3.3 結果與討論37-44
• 3.4 本章小結44-46
• 第4章 基于三苯胺結構HCPs的微孔碳材料制備及性能研究46-62
• 4.1 引言46-47
• 4.2 實驗部分47-49
• 4.2.1 實驗原料47
• 4.2.2 三苯胺結構的HCPs及微孔碳材料的合成47-48
• 4.2.3 性能表征48-49
• 4.3 結果與討論49-60
• 4.4 本章小結60-62
• 第5章 基于咔唑結構HCPs的微孔碳材料制備及性能研究62-74
• 5.1 引言62
• 5.2 實驗部分62-64
• 5.2.1 實驗原料62-63
• 5.2.2 咔唑結構的HCPs及微孔碳材料的合成63
• 5.2.3 性能表征63-64
• 5.3 結果與討論64-73
• 5.4 本章小結73-74
• 結論74-76
• 參考文獻76-84
• 致謝84-86
• 攻讀碩士學位期間科研成果86

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 朱祥;呂文杰;胡軍;汪華林;劉洪來;;有機多孔聚合物CO_2捕集及分離性能的研究進展[J];化工學報;2014年05期

2 潘月琴;;煙道氣中CO_2吸附捕集劑的研究進展[J];化學世界;2014年12期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 馬和平;吸附分離導向的有機多孔材料的設計合成與氣體分離性質研究[D];吉林大學;2014年

2 吳月;通過Friedel-Crafts烷基化反應制備POSS基雜化材料及性能研究[D];山東大學;2014年

3 陳龍;二維共價有機框架結構的合成和性能研究[D];北京理工大學;2015年

4 李桂洋;微孔聚合物的構建及其二氧化碳與有機蒸氣吸附性能研究[D];大連理工大學;2014年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 張麗敏;基于縮醛和縮酮微孔有機聚合物的制備及其性能研究[D];揚州大學;2013年

2 劉俊玲;含噻吩、氰酸酯單元的三嗪基納米孔聚合物的合成及表征[D];中南大學;2013年

3 姚姝文;超交聯(lián)微孔聚合物的制備及性能研究[D];陜西師范大學;2014年

4 丁芳;功能化離子液體調控CO_2捕集行為的研究[D];浙江大學;2015年

5 江騰飛;有機多孔聚合物的合成及其吸附性能研究[D];浙江理工大學;2015年

  本文關鍵詞：富氮型有機微孔聚合物的制備及其氣體吸附性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：377430