超交聯微孔聚合物是一類重要的多孔聚合物材料,由于其具有高比表面積、合成條件溫和、單體來源廣泛等優點而成為研究的熱點。經過數十年的發展,隨著被利用的構筑單元和合成反應越來越多,超交聯微孔聚合物的家族越來越龐大,其應用范圍也得到了極大的擴展。然而,尋找反應活性高且廉價易得的構筑單元,以及更簡單有效的聚合反應,一直是材料應用的關鍵。
2016年,廈門大學李磊課題組首次利用工業副產品石油瀝青為起始原料,經過一步超交聯,大批量制備了比表面積高達758 m2/g的微孔材料(Chem. Commun., 2016, 52, 2780–2783. DOI: 10.1039/C5CC07908J)。在此工作的基礎上,通過改變催化劑,優化交聯劑,得到比表面積更大(1337 m2/g)、二氧化碳吸附性能更好(17.74 wt%,1.0 bar/273 K )、氫氣貯存性能更佳(1.83 wt%,1.13 bar/ 77 K)的有機微孔材料(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16490–16498. DOI: 10.1039/c6ta07033g)(圖一)。相比石油瀝青,煤焦油瀝青雖然有著更復雜的組分,但是兩者都含有大量的苯環、稠環結構。受此啟發,將煤焦油瀝青作為起始原料,也得到了高比表面積的有機微孔材料(ChemSusChem 2017, 10, 618–623. DOI: 10.1002/cssc.201601475)。石油工業和煤化工的副產品作為多孔聚合物材料的構筑單元為多孔聚合物的合成提供了一條新的途徑,也為石油的使用與改性提供了新的思路。
圖一:基于瀝青的有機微孔材料的構筑及其應用
此外,該課題組還首次利用苯基甲基硅油作為原料,一步法制備得到超交聯微孔聚合物,并以此作為先驅體,利用原料的結構特點,結合化學刻蝕的方法,制備出了比表面積高達1201 m2/g的有機多孔聚合物。該材料在二氧化碳和可揮發性有機蒸氣的吸附方面有著良好的性能(Macromolecules 2017, DOI:10.1021/acs.macromol.6b02715)(圖二)。
圖二:超交聯聚合物作為先驅體制備多孔有機材料
基于傅-克反應的超交聯方法制備微孔聚合物的主要缺點是結構不可控,且需要過量Lewis酸催化劑和后脫除工藝。2016年,該課題組利用二乙烯基苯和不同雙馬來酰亞胺單體自發的交替自由基共聚巧妙地回避了這些制備難題。元素分析結果證實聚合物中兩單體的比例為1:1。自由基聚合不需要大量催化劑,也不會產生副產物,實現了簡單、高效制備超交聯微孔聚合物(ACS Macro Lett. 2016, 5, 377?381. DOI: 10.1021/acsmacrolett.6b00015)(圖三)。
圖三:基于自由基聚合反應的有機微孔材料的構筑
該課題組積極探索各種原材料和反應合成策略,不但豐富了有機微孔材料的制備方法學,更為重要的是有可能拓展其功能與應用。
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