多孔有机骨架材料的复合与功能化

小夏 科学 更新 2024-03-08

由于其比表面积高,稳定性好,其结构可以设计仿真,然后定向合成,具有一定程度的可控性[1],因此POFS在过去十年中得到了研究人员的广泛研究和应用。 然而,除了这些优点之外,还需要开发和设计与主体骨架复合的新型孔隙结构和材料,同时保持结构完整性,以确保POFs材料在气体吸附、多相催化、光致发光和能量转换等领域具有更广阔的应用前景[2-4]。 与已经发展了几十年的金属有机骨架材料相比,多孔有机骨架材料的复合和功能化研究仍处于起步阶段,但其优异的稳定性和孔隙率无疑具有巨大的应用潜力。

图1 多孔材料可以通过结构或功能来定义,但其功能决定了实际应用的范围[3]。

多孔有机骨架化合物金属纳米颗粒复合材料

POFs与金属纳米颗粒(MNPs)的结合极大地改善了POFs材料的气体吸附、气体分离和非均相催化。

由于其高比表面积和孔隙率,POFs对氢气、二氧化碳、甲烷和其他气体具有理想的吸附和储存效果。 然而,在其孔隙或孔壁上修饰的其他纳米官能团可以有效地提高它们对特定气体的选择性和储存性。 POFS是氢气和二氧化碳的理想储存材料。 一方面,POFs的骨架由轻元素组成,比表面积高,对氢气和二氧化碳具有很大的吸附潜力。 另一方面,POFs孔隙中Ni、Mn、Li等纳米颗粒的存在可以有效增强聚合物对氢气和二氧化碳的吸附作用。

2009年,Froudakis等[5]在COF-105通道中携带Li原子,使氢气在77 K和100 bar下的吸附能力达到22 wt%,远高于相同条件下纯Cof-105的吸附能力(6 wt%)。 2014年,MA等[6]在PAF-1-SO3H的基础上进一步改性Ag纳米颗粒,形成PAF-1-SO3AG复合材料,在乙烯乙烷分离中表现出优异的选择性。 此外,Zhu等[7]在PAF-50框架中通过携带不同的非金属颗粒制备了X-PAF-50(x = f, cl, br, i),实现了一对孔径从3精确控制4至7,通过筛分孔隙,将氢气、氧气、氮气、甲烷和二氧化碳一一分离。

图2 CL-PAF-50和2I-PAF-50键上分离H2、N2、O2、CH4和CO2气体混合物的X-PAF-50和GC色谱图的结构[7]。

关于MNPS和POFs作为非均相催化剂的研究也很多,其中POFs的高比表面积和良好的结构稳定性使它们非常适合作为催化反应的纳米反应器。 2009年,Schüch等[8]将PT的金属盐前驱体引入CTF孔中,通过预合成和原位合成生成PT-CTF,大大提高了甲烷催化氧化制甲醛的摩尔反应速率。 Wang等[9](2014)发表,在多孔聚合物CPP-1和CPP-2孔隙中携带PD NPS得到pd@cpp-1和pd@cpp-2材料,发现它们对硝基苯还原为苯胺具有较强的催化活性。

多孔有机骨架化合物多金属氧酸盐复合材料

2016年,马等[10]通过离子交换法将多金属氧酸盐PW12O403交换到离子骨架COF材料的孔隙中,合成了复合材料EB-COF:PW12,并进行了质子传导研究。 实验结果表明,该复合材料表现出良好的化学稳定性和热稳定性,同时在离子交换过程中保留了原始COF材料的孔隙,合成的复合材料EB-COF:PW12的质子导率为332 10 3 s cm1,高于所有报告的 COFS 材料。

图3 合成复合材料EB-COF:PW12示意图[10]。

3.多孔有机骨架化合物有机高分子复合材料

自2009年问世以来,OFS材料G-C3N4因其对水的光解催化性能强、比表面积高、结构框架稳定等特点,得到了研究人员的广泛研究。研究人员使用G-C3N4进行光催化去除一氧化氮的实验时,发现NO难以完全氧化,其催化活性中心容易失活,因此Dong等[11]于2016年将聚酰亚胺(Pi)与G-C3N4通过非均相交联反应结合,形成新型复合材料PI-G-C3N4,PI功能材料的加入显著提高了G-C3N4的光催化活性。同时,有效降低了催化剂在反应过程中的失活效果。

多孔有机骨架化合物碳纳米管复合材料

DU等[12](2015)报道了多层碳纳米管上多孔钴卟啉骨架化合物(COP)N-MWCNTs的合成,并测试了水电解反应的催化活性。 实验结果表明,新型复合材料具有良好的循环稳定性。 同时,复合材料的氧化电位低于单体(COP)N-Tips和纯基底MWCNTs,证明复合材料的催化剂具有更好的催化性能,析氧反应的法拉第效率可超过86%。

参考资料: 1] Maly K E assembly of nanoporous organic materials from molecular building blocks[j]. journal of materials chemistry, 2009, 19(13): 1781-1787.

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