合理设计双功能共轭微孔高分子用于CO2或CH4的捕获与转化

This project combines theoretical simulation with experiment to rationally design a bifunctional conjugated microporous polymer (CMP). This polymer can capture and convert CO2/CH4 into valuable chemicals simultaneously at mild conditions. For theoretical simulation part, we propose to apply multiscale simulation methods including quantum mechanics, grand canonical Monte Carlo, molecular mechanics, etc to investigate CO2/CH4 storage in CMP and the catalytic mechanism of CO2/CH4 reactions. By designing thousands of CMP candidates, we carry out the large screening by computer simulation to identify the candidate with best properties. For experimental part, we propose to synthesize and characterize the designed CMP. Those experimental results will feedback to theoretical simulation to improve the accuracy of simulation. Eventually, we will obtain the CMP with best bifunctional performances.

本课题利用理论模拟与实验相结合的办法来设计与合成一种双功能共轭微孔高分子。这种双功能共轭微孔高分子可以在温和条件下，既捕获CO2或CH4，同时又将CO2或CH4催化转化为有价值的化学产品。在理论模拟上，我们将结合量化计算、Grand Canonical Monte Carlo、分子力学等方法来模拟双功能共轭微孔高分子对CO2、CH4的吸附机制，研究双功能共轭微孔高分子催化CO2、CH4转化的反应机理。通过对共轭微孔高分子片段的排列组合，设计出成千上万种共轭微孔高分子并用计算机模拟来筛选出综合性能最优的结构。在实验上，我们将实验合成所设计的双功能共轭微孔高分子并表征其性能。实验结果将反馈给理论模拟已提升理论模拟精度。最后达到设计出最优双功能共轭微孔高分子的目的。

本课题利用理论模拟与实验相结合的办法来设计与合成双功能共轭微孔高分子。这种双功能共轭微孔高分子材料可以在温和条件下，既捕获二氧化碳，同时又将二氧化碳催化转化为有价值的化学产品。这种材料由催化中心单体和微孔结构组成。我们以微孔结构，实现吸附功能，以salen-金属作为催化中心单体，实现催化功能。在理论模拟上，我们基于高精度量子化学计算发展了精确范德华分子力场，能够准确预测二氧化碳气体分子在多孔材料中的吸附性能。另一方面，我们通过密度泛函理论方法研究了salen-金属催化中心单体在催化二氧化碳与环氧化合物环加成过程中的作用机理，并在此基础上设计并筛选了基于不同金属的salen-金属单体，最终筛选出5种性能优异的salen-金属单体（金属：Cr，Co，Sc，Zn，Mn）。在实验上，我们首先合成了理论筛选出的最优催化性能单体-salen-Cr。通过实验表征我们确定了基于salen-Cr的双功能共轭微孔高分子材料能够在温和条件下有效催化环氧化合物生成相应的环碳酸酯化合物，并且在使用10次后，催化性能衰减很小。除此之外，我们又合成了salen-Zn双功能共轭微孔高分子材料，此类材料同样是一种高效的二氧化碳与环氧丙烷环加成反应催化剂，同时也是迄今为止唯一能够有效异相催化内消旋环氧化合物的催化剂。为了降低salen化合物合成成本，我们改进了合成路径。使用价格低廉的乙二胺和5-溴水杨醛作为主要原料。合成的salen-Co双功能CMP（Co-CMP-2）材料在温和条件下具有极高的催化活性，优于此前我们合成的Co-CMP材料。该成果的扩大化将在二氧化碳的利用上具有良好的应用前景。