多孔液体材料结构性能关系的理论与实验研究

Porous Liquids Materials (PLMs) is a novel liquids material with internal permanent microporosity, showing high gas storage capacity and strong ion chelating ability. PLMs may present a unique advantage in carbon capture, gas separation and heavy metal extraction. Currently, the synthesis mechanism and structure-property relationship of PLMs are still in infancy, meanwhile the phase equilibrium and transport properties are also ambiguous from thermodynamic perspective. So this project will focus on the PLMs composed of pyrrole-based calix compound and its application in CO2 separation and metal ion extraction. It is of interest to elucidate the synthesis mechanism of PLMs based on ionic liquids and Possibility of existenc for pseudo-porous liquids materials via quantum calculation, molecular simulation and experimental research. Our group also wants to analyze the interaction between PLMs and gas molecules as well as metal ions and investigate the extensive properties and transport properties of PLMs in order to get significant thermodynamic data theoretically and experimentally and build the important structure-property relationship quantitatively and qualitatively. This work can provide theoretical directions and fundamental data in PLMs design, promoting the further development of chemical thermodynamics and solution theory in complex liquids.

多孔液体材料（PLMs）是一类内部具有稳定空腔结构的液体材料，具有储存气体和包合离子的能力，有望在碳捕集、气体分离、重金属离子捕集分离等方面展现特有优势。但目前对其形成机制与构-效关系的探索还处于起步阶段，也未从热力学角度研究其作为液体系统的相平衡与传递性质。基于此，本项目将以CO2吸附分离和金属离子捕集为应用研究背景，以吡咯类杯芳烃笼结构的PLMs为研究对象，通过量化计算、计算机分子模拟和实验研究相结合的方法，探索离子液体型PLMs的形成机制以及 “类液体孔材料”存在的可能性，研究PLMs与气体分子、金属离子间的相互作用，考查PLMs容量性质与传递性质，获得吸收过程中重要的热力学数据，建立PLMs结构与性质、性能的定性与定量关系，为PLMs的设计以及应用提供理论支持和基础数据，推动化工热力学和溶液理论在复杂流体的进一步发展。

多孔液体材料是一类内部具有稳定空腔结构的液体材料，有望在碳捕集、气体分离等方面展现特有优势。本项目围绕研究目标，采用密度泛函理论（DFT）研究了有机笼分子与不同气体分子相互作用规律。基于杯芳烃[4]吡咯有机笼分子设计了7种新型杯芳烃有机笼分子，并采用DFT探讨了不同笼分子对CO2吸附能力及其对CO2/N2的吸附选择性的影响。利用分子动力学(MD)模拟系统研究了气体在多孔液体中的吸附和分离与笼状分子浓度的依赖关系，分析了气体在多孔液体中的扩散与输运特性。在实验方面,成功制备了不同液体孔材料：将金属有机框架表面接枝有机硅烷并与聚乙二醇磺酸盐混合；将离子型共价有机框架材料与大尺寸的离子液体混合；将带有胺基的聚醚胺接枝于带有磺酸基团的有机多孔聚合物的表面；将聚乙二醇端羟基变为羧基并与氨基功能化的金属有机框架材料结合；将聚多巴胺PDA接枝在中空二氧化硅表面并与聚乙二醇磺酸盐结合等策略，成功制备出不同类型的孔材料。与液体吸收剂比较，液体孔材料均能提升CO2的吸附（收）能力。研究成果对于理解多孔液体材料结构与性质，指导液体孔材料的开发等均具有重要意义。目前已在国内外学术刊物上发表研究论文12篇(其中国际期刊9篇，国内核心期刊3篇)。参加本项目研究工作的研究生中有2人获博士学位，7人获硕士学位。