多孔芳香骨架材料：设计、合成与二氧化碳吸附性能研究

The issue of global warming caused by the greenhouse effect has attracted considerable concern of all countries. The 2007 Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change pointed out the CO2 in the Earth's atmoshere is the most significant contribution to global warming. To solve the pressing environmental issue, it requires development of new technologies for capture of CO2 and application of cleaning energy sources (such as hydrogen, methane, etc.). Therefore, the method of CO2 capture and purification of natural gas containing CO2 has important scientific and social significance. Porous materials with high surface area and large pore volume (such as zeolites, activated carbon, metal-organic frameworks, porous organic frameworks, etc.), have displayed favourable capability for CO2 capture. With the aid of computational design, we will synthesize porous aromatic frameworks (PAFs) materials possessing high surface area and special adsorption property by selecting suitable buliding units coupled by efficient reaction. The PAFs materials with large CO2 adsorption uptake and high CO2/N2 or CO2/CH4 selectivity should hold immense promise in post-combustion CO2 capture application and natrual gas purification. Comparisons PAFs materials's texture with their CO2 capture performance, PAFs materials are discreetly screened, and a theoretical and experimental basis could be established for targeted synthesis of such porous materials.

目前，温室效应引起的全球变暖问题受到世界各国的广泛关注。2007年，国际事务小组在关于气候变化问题的评估报告中指出，大气中二氧化碳是诱发全球气温上升最重要的因素。解决方法包括将排放的二氧化碳捕获和使用氢气、甲烷等清洁能源。因此，二氧化碳捕获及将含有二氧化碳的天然气纯化具有重大的科学与社会意义。具有高比表面积和大孔容的多孔材料（分子筛、活性炭、金属有机骨架材料、有机多孔材料等），在二氧化碳存储方面表现出良好的性能。本项目拟在理论模拟指导下，选择合适的构筑基元，通过高效偶联反应制备具有高比表面积、特殊吸附性质的多孔芳香骨架材料。具有大二氧化碳储存容量及高二氧化碳选择性（CO2/N2或CO2/CH4混合气）的多孔芳香骨架材料实际应用于煤烟气中二氧化碳捕获及天然气纯化过程。通过材料结构与二氧化碳存储性能关系对比，筛选二氧化碳储存性能优异的多孔芳香骨架材料，为这类多孔材料目标合成搭建理论与实验基础

目前，温室效应引起的全球变暖问题受到世界各国的广泛关注。解决方法包括将排放的二氧化碳捕获和使用氢气、甲烷等清洁能源。因此，二氧化碳捕获及将含有二氧化碳的天然气纯化具有重大的科学与社会意义。多孔材料（分子筛、活性炭、金属有机骨架材料、有机多孔材料等），被用于二氧化碳的存储与捕获。本项目选择合适的构筑基元制备了一系列多孔芳香骨架材料。表征了多孔芳香骨架材料的基本性质，包括材料稳定性、样品尺寸、局部结构及比表面积等。测试了多孔芳香骨架材料在273 k 及298 k 下，二氧化碳、甲烷和氮气吸附性能，利用Henry方程计算了CO2/N2、CO2/CH4的选择系数。项目中取得了重要研究成果：1，在多孔芳香骨架中引入-OH、-COOH和-NH2官能团，表明在材料中引用亲二氧化碳官能团可以有效提高其吸附量；2，在多孔芳香骨架中引入-COOH，骨架中的羧基和通过碱反应，生成骨架中含有Li、Na、K或者Mg的材料。氮气吸附研究表明金属离子引入后，材料的比表面积相应减少。虽然金属离子取代后，材料比表面与PAF-26-COOH相比都有一定减少，但是其二氧化碳和甲烷吸附量都有一定提高，而且其对二氧化碳及甲烷的吸附焓也有很大提高；3，筛选廉价催化剂探索低成本合成多孔芳香族多孔聚合物方法。利用AlCl3催化的肖尔反应，利用三苯胺、四苯甲烷、四苯硅烷、四苯锗烷、联苯、临三联苯，对三联苯，间三联苯和1,3,5-三苯基苯单体，制备了系列多孔芳香骨架材料。. 研究论文发表在在J. Mater. Chem. A、Chem. Commun、Poly. Chem、ACS. Appl. Mater. Interfaces等期刊上。应邀在Springer出版社撰写“Porous organic frameworks: Design, synthesis and their advanced applications”，介绍有机多孔材料的设计、合成与性质研究工作。在化学学报发表“有机多孔材料:合成策略与性质研究”的综述文章。文中详细介绍有机多孔材料的合成方法。同时，对比了具有代表性的有机多孔材料的二氧化碳吸附性能。结合自己的研究，提出了影响二氧化碳吸附性能的因素。