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【化學(xué)前沿科普】有機(jī)多孔材料:多孔材料的新機(jī)遇

來源:化學(xué)加      2016-09-07
導(dǎo)讀:POF材料,即有機(jī)多孔材料,是近幾年才被人們重視起來的一類微孔(孔道尺寸一般小于2納米)材料。顧名思義,POF材料是完全由有機(jī)基塊構(gòu)筑的,具有穩(wěn)定的孔道結(jié)構(gòu)的聚合物材料。有機(jī)基塊通常是含有苯環(huán)、炔基等的有機(jī)小分子,同時(shí)含有多于一個(gè)的鹵代基(或硼酸、醛基、氨基、氰基等)可以通過偶聯(lián)等聚合反應(yīng)等使這些有機(jī)小分子互相連接,從而形成無限連接的聚合物材料。

如圖一所示是由吉林大學(xué)朱廣山和裘式綸課題組在973項(xiàng)目“有機(jī)分子基框架多孔材料的前沿研究”(2012CB821700)資助下,完成并報(bào)道的一例新型POF材料,其結(jié)構(gòu)完全由苯環(huán)組成,因此這類材料又被命名為多孔芳香骨架材料(PAF)。合成該材料的有機(jī)基塊是對稱的四溴四苯甲烷,可以看作是正四面體形的四節(jié)點(diǎn)。通過偶聯(lián)反應(yīng),兩個(gè)有機(jī)基塊脫掉溴后可以互相連接,每個(gè)有機(jī)基塊和另外的四個(gè)有機(jī)基塊相連,可以形成類似于金剛石的框架結(jié)構(gòu)。

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圖一   POF材料的設(shè)計(jì)合成和模擬結(jié)構(gòu)示意圖

POF的結(jié)構(gòu)。POF的結(jié)構(gòu)可以是晶態(tài)的,也可以是無序的,這和合成它們的聚合反應(yīng)的選擇有很大的關(guān)系。由于合成POF結(jié)構(gòu)的有機(jī)基塊多會選擇對稱性較高、剛性的小分子,一般認(rèn)為,就算是對于無序的結(jié)構(gòu),有機(jī)基塊還是會按照一定的連接方式聚合,從而在微觀尺寸上形成理想的規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

POF具有有序的微孔結(jié)構(gòu)。POF的微孔結(jié)構(gòu)可以通過材料對氮?dú)獾确肿幼鳛樘结樀奈叫袨榈臏y試來研究。研究顯示,POF一般具有尺寸分布很小的微孔結(jié)構(gòu),也側(cè)面說明了POF結(jié)構(gòu)微觀尺寸上的規(guī)則性。而有序單一的微孔結(jié)構(gòu)對于氣體存儲、小分子分離、催化劑等的擔(dān)載以及主客體化學(xué)的應(yīng)用和研究都有很大的意義。

POF的內(nèi)表面積很大。材料的內(nèi)表面積也是通過氮?dú)獾确肿幼鳛樘结榿頊y試的,可以一定程度上衡量多孔材料吸附小分子的能力。POF材料的內(nèi)表面積通常在每克1000平方米以上,高于傳統(tǒng)的微孔材料沸石分子篩。而PAF-1的內(nèi)表面積達(dá)到每克5600平方米,甚至可以和晶態(tài)微孔材料MOF中的佼佼者媲美。

POF的微孔結(jié)構(gòu)具有可調(diào)控、可修飾性。鑒于POF的結(jié)構(gòu)完全由有機(jī)基塊組成,依托于現(xiàn)在發(fā)展出的具有很高的定向性的有機(jī)合成技術(shù),可以有效的對POF的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行大小和形狀的調(diào)控以及功能的修飾。例如:使用結(jié)構(gòu)相似、尺寸較大的有機(jī)基塊可以得到孔道尺寸更大的同系列化合物;使用帶有某些功能基團(tuán)的有機(jī)基塊可以將功能性引入到POF的孔道中。

POF具有很高的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是材料在應(yīng)用過程中必須面對的問題,而多孔材料因?yàn)槠淇諘绲慕Y(jié)構(gòu)很容易導(dǎo)致穩(wěn)定性的下降。POF的一個(gè)特點(diǎn)就是其具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,這源于POF的框架都是通過結(jié)合力很強(qiáng)的共價(jià)鍵連接的。例如:PAF-1的熱穩(wěn)定性超過500攝氏度,在沸水、常見有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸中也可以穩(wěn)定的保持完整的微孔結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

綜上所述,POF材料完全由有機(jī)部分組成,其結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一定程度的設(shè)計(jì)合成,強(qiáng)大的有機(jī)合成技術(shù)的支持還允許對POF材料的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控和修飾。共價(jià)鍵還為POF材料提供了很高的穩(wěn)定性,非常有利于POF材料在其他領(lǐng)域和實(shí)際環(huán)境下的應(yīng)用。因此,POF材料的出現(xiàn)為多孔材料的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。

目前,POF由于發(fā)展時(shí)間尚短,未來要進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)甚至人們的生活中,還存在一些局限性,例如:成本較高、合成步驟較長等。因此,POF的發(fā)展不僅需要多孔材料的研究人員對其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的不斷開發(fā),還需要具有有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、材料化學(xué)、物理化學(xué)、理論化學(xué)等領(lǐng)域的研究人員的積極參與,真正的實(shí)現(xiàn)POF材料的價(jià)值,從而改變我們的生活。

參考文獻(xiàn):


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