运用反应性嵌段共聚物为成孔剂制备介孔材料的研究

The preparation, structure and properties of mesoporous materials (silica, titanium and carbon) based on the reactive block copolymer as porogens will be proposed in this proposal. Firstly, a series of reactive block copolymers will be synthesized via controlled/living radical polymerizations such as atom transfer radical polymerization (ATRP), reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT),ring open polymerization (ROP),TEMPO-mediated polymerization,living ion polymerization and so on. The reactive block copolymers will be subsequently incorporated into the precusors in varying proportions to perform inner-component process (sol-gel or curing reaction). As a result, the reactive segments of the block copolymer will be compatible with the cross-linking matrix, whereas the other blocks will be gradually seperated from the matrix to form the nanophases. After pyrolysis at elevated temperatures or solvent decomposition, the mesoporous materials with asjustable porosity will be obtained. In addition, the porosity of the mesoporous materials will be also controlled by regulating the sructure parameters of the reactive block copolymers and the reaction kinetics. The transmission electron microscopy (TEM), field emission scanning electron microscopy (FESEM), atom force microscopy (AFM)，thermoanalysis (DSC and TGA)and surface-area Brunauer-Emmett-Teller (BET) measurements will be applied to investigate the structure and properties of the resulting mesoporous materials. The key issues to be solved in this proposal are: i) to eastablish the preparative methodology of mesoporous material based on the reactive block copolymer; ii) to investigate the mechanism of reaction induced microphase seperation for the preparation of the mesoporous materials; iii) to control the porosity of the mesoporous materials.

本申请建议运用反应性嵌段共聚物为成孔剂制备介孔二氧化硅、二氧化钛及碳材料。通过分子设计并采用活性聚合方法合成一系列反应性嵌段共聚物，使共聚物中的部分嵌段与基体发生适度的化学反应形成复合基体,而其余的嵌段以微相分离的纳米尺度上的微区分散在交联基体中，经高温煅烧或溶剂刻蚀除去这些有机微相即可得到介孔材料。通过控制反应(共聚物的反应性嵌段与基体的反应和体系的溶胶-凝胶反应)动力学过程及嵌段共聚物的结构参数(如嵌段共聚物各组分的比例、嵌段共聚物与交联前驱体的投料比或加入扩孔剂等)来实现材料的介孔性调控。运用原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、小角X射线散射(SAXS)及比表面积的BET测试等表征手段深入研究交联体系中纳米尺度上微结构的形成规律及介孔材料的成孔机理。可以预期这一方法的实施将发展并丰富介孔材料的制备方法并实现材料介孔性的有效调控。

介孔材料由于具有较高的比表面积、优异的表面化学惰性、良好的机械稳定性等特点，在催化、吸附、分离等领域有广泛的应用。两亲性嵌段共聚物(尤其是含有聚氧乙烷(PEO)的嵌段聚合物)是目前用于制备介孔材料的重要模板剂。本课题提出运用反应性嵌段共聚物为模板剂制备介孔材料。基于此，我们设计合成了一系列.反应性的嵌段共聚物，使共聚物中的部分嵌段与基体发生适度的化学反应形成有机-无机的杂化基体,而其余的嵌段以微相分离的纳米尺度上的微区分散在交联基体中，经高温煅烧或溶剂刻蚀除去有机微相后得到了介孔二氧化硅/碳材料。运用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、小角X 射线散射(SAXS)及氮气吸附等表征手段对介孔材料的孔径尺寸/分布及比表面积进行了研究。在此基础上，通过控制反应动力学过程及嵌段共聚物的结构参数(如嵌段共聚物各组分的比例、嵌段共聚物与交联前驱体的投料比或加入扩孔剂等)对材料的介孔性进行了调控。部分研究成果已经发表在Microporous and Mesoporous Materials、Industrial & Engineering Chemistry Research、RSC Advances等学术期刊上，另有重要的实验数据已经整理成学术论文待发表。本课题研究工作的开展丰富了介孔材料的制备方法，探索并揭示了交联体系中纳米尺度上微结构的形成规律及介孔材料的成孔机理，对介孔材料的发展具有一定的促进作用。