用于二氧化碳吸附与分离的密胺基微孔聚合物材料

Research and development of new CO2 adsorbents with high capture efficiency is of significant importance for the control of carbon emission. The goal of this proposal is to synthesize melamine based microporous polymers (MBMPs) through the Schiff-base chemistry, with melamine and phthalaldehyde derivatives as starting materials, and to investigate the CO2 adsorption and separation behaviors on the prepared MBMPs. The PIs will target three specific objectives in this project: 1) Developing novel synthetic strategies for MBMPs by employing intensified synthetic conditions. 2) Adjusting the microporous structures of MBMPs by varying the phthalaldehyde monomers and the solvents, introducing long-chain amines in the Schiff base reaction, and adding templates to the synthesis system etc. In addition, modulation of the CO2 adsorption heat is anticipated through adding amino acids to MBMPs or modifying MBMPs by carbonization, oxiditation, and hydrogenation. 3) Investigating the monocomponet adsorption behaviors on MBMPs. Based on that, the binary gas (CO2-N2 or CO2-CH4) adsorption on MBMPs will be studied by the ideal adsorption solution theroy (IAST) and the breakthrough column method from both theoretical and experimental aspects, respectively. The microcosmic mechanism of CO2 adsorption on the type of porous polymer will be investigated as well. This proposed research project will be of great value for both synthetic chemistry of porous organic polymer materials and gas adsorption studies.

研究新型高效二氧化碳吸附剂对控制碳排放具有重要意义。项目拟以三聚氰胺和苯二甲醛为原料，通过Schiff碱化学反应制备密胺基微孔聚合物材料（MBMPs），并研究MBMPs上的CO2吸附分离行为。研究主要包括：1）强化MBMPs的合成条件，发展MBMPs合成新方法；2）通过改变苯二甲醛同系物单体、添加长链胺类、添加模板剂等方式实现MBMPs微孔结构的调变。通过添加氨基酸、对合成的MBMPs进行炭化、氧化或氢化改性，调变MBMPs的CO2吸附热；3）在研究单组分气体吸附的基础上，采用理想吸附溶液理论（IAST）和穿透柱法从理论和实验两方面研究双组分气体（CO2-N2或CO2-CH4）在MBMPs上的吸附，从微观上探讨CO2在此类多孔聚合物中的吸附机制。项目内容无论对于丰富多孔聚合物材料的合成化学，还是对于气体吸附研究都具有重要的价值。

项目瞄准气体吸附分离领域吸附剂的制备及结构调控，以三聚氰胺和苯二甲醛为原料，通过Schiff碱化学反应制备密胺基微孔聚合物材料（MBMPs），研究了多种溶剂、多种添加剂等对MBMPs孔结构和吸附性质的影响，采用真空体积法研究了单组份气体CO2、N2、CH4在MBMPs上的吸附，并结合模型拟合吸附等温线，根据理想吸附溶液理论（IAST）预测了双组份的吸附，并探索了乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等低碳烃在MBMPs上的吸附情况，采用穿透柱研究了双组份气体（CO2-N2 and CO2-CH4）在MBMPs上的吸附分离，发现CO2可有效分离，分离因子均低于IAST理想选择性。另外，以三聚氰胺、间苯三酚、甲醛为原料，经过一种简单的缩聚反应制备了胺基丰富的聚合物纳米纤维（PMFs），并发现其具有良好的CO2吸附分离性能。基于该类吸附剂制备了高性能膜材料，发现其对CO2具有很好的分离性能。以此为延伸，我们还发展了一种以二维沸石纳米片为构筑单元，不经过二次生长直接在多孔聚合物载体上制备沸石分子筛膜的方法，该沸石膜表现了一定的丁烷异构体选择性。项目拓展了多孔聚合物材料的制备方法及其在吸附分离方面的应用，并对于构筑新型多孔材料（粉体及膜）具有重要的参考价值。