用于二氧化碳捕获与封存的微孔聚合物材料

二氧化碳（CO2）的大量排放是全球气候变暖的主要原因。减少碳排放，降低大气中CO2的含量成为人类共同面临的重要课题。采用多孔材料选择性捕获CO2正受到越来越多的关注，其中，微孔聚合物材料具有高比表面积、低密度、良好的热稳定性，成为最有发展潜力的吸附材料。本项目拟采用低成本的原料与合成路径，设计合成轻质（<1 g/cm3）、孔尺寸大小可控（4-10 ?）、且具有高比表面积（>2000 m2/g）的微孔聚合物材料，并通过引入活性位点官能团，使制备的材料对CO2具有高吸附量（～4 mmol/g，1 bar，298 K）和高选择性，并达到封存安全、可控释放的目的。研究成果有助于加深对聚合物结构与微孔孔径、表面积之间的关系的理解；加深理解聚合物结构与CO2捕获性能之间的关系。对进一步推进节能减排，发展低碳经济有着相当重要的意义。

二氧化碳（CO2）的大量排放是全球气候变暖的主要原因，碳捕获与储存（CCS）是缓解气候危机最直接有效的手段之一。微孔材料因其具有低密度、高比表面积和高孔隙率而在CO2捕获方面有着潜在的应用前景。然而，如何低成本合成高比表面积的微孔聚合物材料，成为材料学家和化学家当前亟待解决的重要课题之一。本项目以低成本构筑单体，采用简单的合成方法制备得到了高比表面积的微孔有机聚合物材料，并研究了这些材料在CO2吸附与分离方面的应用。主要内容及结论如下：.（1）芳香羟甲基化合物能够在Lewis酸的存在下发生Friedel-Crafts烷基化反应。通过FeCl3催化，苯甲醇和1,4-苯二甲醇自缩合反应，合成了具有高比表面积的超交联聚合物材料，这是首次采用单官能团化合物作为自缩合单体得到高比表面积聚合物的报道。CO2吸附测试表明，273 K/1.0 bar下，两种材料的CO2吸附量分别为8.46 wt %和12.6 wt %。.（2）理论研究和实验结果表明：多孔骨架中氮原子的存在有利于提高材料的CO2吸附性能。以三聚氰胺和二酐单体为基本反应原料，制备了一系列具有微孔和介孔结构的聚酰亚胺交联网络。这一合成策略区别于其他多孔聚酰亚胺的制备通常需要用到昂贵的具有空间立体结构的单体，而且反应在进行过程中没有用到任何有毒的溶剂和催化剂。最高比表面积可达660 m2 g-1，273 K/1.13 bar下能够吸附7.3 wt%的CO2。.（3）直接以芳香杂环化合物为构筑单体，二甲氧基甲烷（FDA）为外交联剂，合成了一系列孔壁饰有大量杂原子的微孔聚合物材料，并结合计算机模拟研究了所合成材料的孔结构性能以及对CO2气体的吸附行为。结果表明，尽管所合成的这些微孔芳杂环网络的比表面积并不高（437~726 m2 g-1），但却表现出优异的CO2吸附性能：在低覆盖下，CO2吸附热高达27~36 kJ mol-1。尤其是以吡咯为单体合成的聚合物网络Py-1，显示了超高的CO2选择性吸附能力：在273 K 下，Py-1对CO2/N2的选择性高达117，这一选择性数据已居于目前世界报道的前列。.（4）研究了微孔聚合物材料在催化、分离等领域的应用。制备了新型、稳定、高活性、可回收的钯-膦多相催化剂，温和条件下Suzuki–Miyaura偶联反应有很高的转化率。