氢键有机框架多孔材料合成及应用实验研究

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氢键有机框架(HOFs)是以含有轻元素(C、H、O、N、B等)的有机小分子为合成子,通过弱氢键相互作用组装形成的新型晶体多孔材料。由于合成子的多样性,可以根据应用需求对HOFs材料结构及内部的孔道环境进行调控。除了拥有金属有机骨框架化合物(MOFs)和共价有机框架(COFs)的高比表面积、结构可设计、低密度和孔道可调控等特点外,HOFs材料还具有合成条件温和、溶液可加工性好、易于愈合和再生等独特的优势。HOFs材料分为本征HOFs材料和掺杂HOFs材料。本征HOFs材料是以羧酸类、二氨基三嗪类或磺酸类等为合成子,制备的具有不同孔径和比表面积的多孔材料;掺杂HOFs材料是将具有特殊功能的基团通过物理或化学方法掺杂到本征HOFs材料中,使其具有相应的功能。本征HOFs材料主要应用于吸附领域,目前关于掺杂HOFs材料的研究还较少。本文在对本征HOFs材料制备进行研究的基础上,开展了具有发光和电催化功能的掺杂HOFs材料制备及应用实验研究,主要内容包括:(1)开展了本征HOFs材料的设计合成及其性能研究。选择π-共轭体系的羧酸合成子2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪(H3TATB),采用热溶剂法合成PFC-11、PFC-12、PFC-13三种多孔HOFs材料。实验结果表明,HOFs材料晶体质量较高,热稳定性相对较高,PFC-11、PFC-12和PFC-13的比表面积分别为215、728和161m~2/g,PFC-12具有较高的CO2吸收容量和较好的CO2/CH4选择性。(2)开展了物理法掺杂HOFs的设计合成及其发光性能研究。采用简单的浸泡方法将发光基团Coumarin7与PFC-12进行掺杂,制备出Coumarin7@HOF材料。实验结果表明,在光的激发作用下,PFC-12吸收激发光能量产生激子,激子将其能量传递给Coumarin7,实现了能量共振转移,能量受体的发光增强。(3)开展了化学法掺杂HOFs材料的设计合成及电催化析氢性能研究。利用原位固态聚合方法,将导电聚合物(PEDOT)限制性生长到HOFs通道中,制备出系列PEDOT@HOFx材料。与本征的PFC-12相比,随着掺杂量的增加,比表面积逐渐减小,过电势也发生变化,PEDOT@HOF0.35材料具有较好的电催化活性。
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