对CO2气体高选择吸附性兼具高吸附量的温度响应型CMPs材料的构筑及吸附性能研究

Conjugated Microporous Polymers (CMPs) have potential applications prospect for CO2 capture, selective separation and storage due to their unique π-conjugate skeleton and permanent nanoporous structure. At present, the balanced tuning of the rigid frame structure, stacking, group polarity, pore specific surface area, pore volume and pore diameter size of CMPs materials is still the main difficult problem to achieve further efficiency breakthrough of high selectivity seperation and high adsorption capacity for CO2. In this project, combining the tuning of skeleton engineering with the modification of side-chain engineering, we will design and synthesize novel functional CMPs materials by introduction of the temperature-responsive phenothiazine soft units, the rigidity of nitrogen fused units and the specific polarity groups. The synthetic routes of the polymers will be explored. The pore aperture is accurately controlled on the scale of angstrom through the temperature-responsive change. This project will study the influence of CMPs-based chemical construction, morphology feature and microstructure on the selectivity seperation and adsorption of carbon dioxide. The thermodynamics and kinetics of adsorption and diffusion process of carbon dioxide will be investigated. The relationship between the structure of CMPs materials and adsorption performance will be explored. The environmental friendly, stable, recyclable adsorption model of CMPs based on high selectivity seperation and high adsorption capacity for CO2 will be built.

微孔共轭聚合物（CMPs）因其独特的π-共轭骨架和永久性的纳米多孔结构在对CO2气体进行捕获、选择性分离以及存储等方面展示出优异的应用前景。如何均衡调控CMPs的刚性骨架、堆积方式、基团极性、孔道比表面积、孔容积以及孔径尺寸，进一步突破当前对CO2高吸附量兼具高选择性分离效率瓶颈成为科学研究的难点。本课题拟引入对温度响应的吩噻嗪类柔性单元、含氮稠环类刚性单元以及特定极性的基团，通过骨架工程以及取代基修饰来构筑系列温度响应、高稳定孔道骨架兼具匹配孔径的三维CMPs。探索该类聚合物的通适合成路线，通过温度响应实现孔结构在埃尺度上的精确调控；研究CMPs的化学结构、形貌特征和微观结构等因素与其对CO2的吸附和选择性分离性能的影响；考察吸附过程的热力学和动力学行为；阐明CMPs与其吸附CO2以及选择性分离性能的构效关系；建立适合于高效选择性吸附CO2的新型绿色、稳定性好、可回收利用的CMPs模型。

共轭微孔聚合物（CMPs）因其独特的π-共轭骨架和永久性的纳米多孔结构在对CO2气体进行捕获、选择性分离以及存储等诸多方面具有重要的科学意义和实用价值。本项目利用含有噻吩基团的有机建筑块为基本构建单元，与多种取代基单体1,2,4,5-四氟苯、1,4-苯二硼酸通过Sonogashira-Hagihara偶联反应，制备丰富多样、结构规律性变化的共轭微孔聚合物。系统研究聚合物骨架结构、支化程度、连接单元的长度及几何构型变化对所得共轭微孔聚合物材料的比表面积、孔体积、孔分布及孔径尺寸等孔性能的影响，以及对CO2的捕获和分离效果的影响。并在Pd(0)催化下通过Sonogashira-higihara偶联反应，合成了一系列含F杂原子且结构可调共轭微孔聚合物FCMPs。所得多孔材料不仅具有丰富的氟基团，而且可通过调节共聚单体的几何形状来控制材料的孔径大小等参数，进而影响多孔材料对CO2的吸附。此外，通过离子热条件下的动态三聚反应，合成了一系列基于三嗪骨架共轭微孔聚合物，利用富电子π-共轭体系和多孔性能与CO2气体分子产生多种相互作用，有效提高了材料的CO2吸附能力，用于可回收和可逆的CO2吸附。综上结果，通过系列高度有序的有机多孔聚合物的构筑，为获得具有不同孔隙性质的聚合物提供了新思路，也为开发具有更好CO2吸附性能的多孔功能材料提供了实验支持。