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MOFs、COFs、PIMs傻傻分不清楚?微孔材料都有哪些?王正宫副教授演讲《微孔高分子的改性、复合膜及气体分离性能

时间:2022-06-01 09:48:35 | 作者:爱游戏手机版下载 | 来源:ayx爱游戏体育

  原标题:MOFs、COFs、PIMs傻傻分不清楚?微孔材料都有哪些?王正宫副教授演讲《微孔高分子的改性、复合膜及气体分离性能》

  类发展历程中,材料一直是科技发展和生活提高的基础。多孔材料因为其高比表面积、低密度的特性和在气体吸附分离、传感器、光电材料等领域的杰出表现引起了全世界研究者的广泛兴趣。根据国际相关规定,目前的多孔材料可以分为微孔材料(孔径≤ 2nm)、介孔材料(2 nm<孔径<50 nm)、大孔材料(孔径≥50 nm)。近年来,微孔高分子材料已成为多孔材料领域的热点!

  金属有机骨架材料是最早出现的微孔有机骨架材料,它主要是通过有机基团(支柱)与金属离子或者团簇(节点)的配位共聚合成新型可设计的结晶微孔材料,所以也可以被称为配位多孔聚合物。金属微孔骨架材料可以由一种或者两种金属离子与一种有机配体进行组合,也可以通过一种金属离子与一种或者两种有机配体进行组合合成。其配位络合的有机单元种类极其丰富,配体与金属离子组合方法繁多,直接导致了 MOFs 材料的种类多样性。

  MOFs 材料不仅具有高水平的孔隙度,而且在孔径大小和被合成材料的构成方面也有相当不俗的可控性。但是,其高表面积特性却无法遮掩它们在化学稳定性和热稳定性方面相对糟糕的表现,这严重限制了它们的应用范围,特别是其在工业化方面的应用

  超交联聚合物是广泛交联聚合物材料中的一类,具有极高的交联度。HCPs是第一批具有纯粹微孔的有机材料,它过去的十多年的研究报道中都表现出非凡的特性。HCPs 的开发并不是通过结构单元的紧密堆积,而是将线性前驱体高分子溶解或者溶胀在良性溶剂中充分舒展后,在催化剂作用下进行高度的交联或者延长交联。成型的超交联聚合物去除溶剂后,便形成了稳定不坍塌的微孔高比表面积的结构。因此,HCPs 材料的多孔特性和交联作用(交联剂、溶剂)有莫大的关系。

  一般,HCPs 材料具有很高的比表面积,但是,HCPs 材料的合成过程必须有强劲的路易斯酸参与,比如FeCl3 或者其他的盐酸盐。在这种严酷条件的限制下,某些功能官能团引入聚合物可能就比较困难,这大大地限制了聚合物多样性合成的潜在能力。

  固有微孔聚合物是采用不可逆的缩合反应形成的无法有效填充的固态聚合物。PIMs 材料首先由英国的 McKeown 和 Budd 等人合成,采用了酞菁和卟啉作为刚性的骨架单元,聚合物中含有 Zn2+、Cu2+、Co2+和 2H+中心,其比表面积从450–950 m2/g 不等。PIMs 材料之所以能保持固有的孔道体系是因为摒弃了完全采用柔性高分子单元作为骨架的策略,创新性的使用弯曲且刚硬的链节,导致内部无法有效的填充,有效增加自由体积。

  PIMs 材料的合成策略主要依赖于选择合适的骨架单体,但是其中网孔中刚性链节的堆积是无序的,无法对孔径进行有效而精确地控制。PIMs 材料中宽阔的孔径分布必然给其进一步的发展和精确控制带来不便。

  共价有机骨架材料(COFs)是一种新型晶化多孔材料,主要是通过网状构建的原理链接有机基团形成明确可预见性的骨架结构,这种多孔的构造是完全采用质轻元素(H、B、C、N、Si、O)来建立稳定的共价键。

  与无机多孔材料相比较,COFs 是为数不多的由轻元素构成的骨架的材料,对空气和有机溶剂都更加稳定。从合成上看,COFs 可选择的单体种类多,且完全可以按照拓扑学原理进行骨架和孔隙度的设计,是迄今为止比较理想的多孔材料发展方向。但是,COFs 材料除了自身骨架稳定性的难题外,它的溶剂热合成法操作复杂,条件苛刻,要满足工业上的大量需求仍要进一步的探索。

  Cooper 课题组在 2007 年首次成功合成了共轭无序微孔聚合物,这种新型多孔材料主要是通过金属催化芳炔与芳香卤代物交叉偶联形成的微孔聚合物。共轭微孔聚合物(CMPs)具有稳定的物理和化学结构、优越的比表面积和引人注目的光电性质,从而引起关于孔道、载色体、电子导体等领域研究的广泛关注。此外,CMPs 在有机材料的协同效应应用方面具有可观的潜力。由于内部整体共轭且高度交联,CMPs 一般很容易拥有高比表面积和多孔性质,因此几乎所有已知的 CMPs 不溶于任何溶剂。CMPs 材料在微孔性、比表面积、整体结构共轭等方面都有不俗的表现

  微孔聚合物的气体选择性低、分离稳定性差,究其原因在于分子间作用力较弱,难以保持稳定的分子构型和排布,因此在聚合物结构设计方面,苏州大学王正宫教授所在团队提出了通过构建酸碱相互作用、强氢键及离子配位交联的方式提高聚合物膜材料的分子间作用力,对分子链排布进行调控,提高膜材料的分离稳定性;此外,在得到优化了的微孔聚合物的基础上,从界面设计的角度设计制备了其混合基质膜来进一步优化分离膜的性能,对混合基质膜的界面设计主要从颗粒表面形貌控制和界面化学键选择展开。通过对比发现,有效增加界面作用位点,合理提升界面作用力,可以达到避免界面缺陷产生和提升膜性能的目的。

  2022.3.28-29,苏州大学副教授 王正宫将参加“2022气体分离产业大会”,并针对《微孔高分子的改性、复合膜及气体分离性能开发》做精彩报告!

  王正宫,苏州大学副教授,主要从事功能高分子材料合成、复合以及相关功能膜材料的研发。从分子结构设计层面出发,将刚性扭曲单体引入聚合物主链中,获得系列高比表面积且可溶性的微孔聚合物,并成功应用于气体分离中,获得了超高渗透性的分离性能;进一步地,引入无机多孔材料制备了复合膜材料,从界面设计角度出发,利用氢键、配位键、共价键等调控界面作用力,改善了界面相容性,获得了高分离选择性、高渗透性且性能稳定的气体分离膜材料。

  气体分离是能源及化工系统中不可或缺的核心技术,是进一步提高转化效率、降低污染物排放的关键所在。“十三五”以来,气体分离行业保持了较快发展速度和较高景气度,产品产量、利润总额等整体呈快速上升趋势,气体分离市场前景广阔。

  与此同时,双碳政策、氢能源、化工分离提纯、工业尾气治理也驱动气体分离要求快速增长。随着技术的发展和学科之间的不断交叉,以及更多的产品正在实现从研发到实际应用的转变,对产品的质量和要求也在不断地提高。分离技术也在不断地向低能耗、高效率、低成本、少污染发展。相关企业、科研机构正在积极探索相关技术和产品,助力发展二氧化碳捕集、氢能源及VOCs治理,提升生态环境整体质量,降本增效。

  为针对性的提高能化企业在工业尾气相关领域的解决能力,分享先进的回收技术、气体净化分离技术、尾气治理技术等新工艺与新设备,促进行业低碳绿色发展,DT新材料特定于2022年3月28-29日在宁波举办《2022气体分离产业大会》。会议将邀请国内CCUS碳捕集示范项目专家、膜分离技术、气体吸附材料和新型气体吸收技术领域的相关学者和企事业单位代表莅临宁波,分享气体吸附分离技术和产业相关科技成果,加强产学研和上下游合作与交流,推动气体吸附分离领域创新发展。

  陶怡,王强,田华,易学睿,冯白阳,步学朋.国内外大型能源化工企业低碳转型对我国煤化工产业发展的启示[J/OL].现代化工 .