功能多孔有机聚合物的制备、表征及性能研究

作     者：许彦梅 

作者单位：辽宁大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫卓君

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：多孔有机聚合物 功能基团 π共轭骨架 汞离子吸附 超级电容器 

摘      要：随着全球对能源的需求以及基于科技和工业广泛发展引起的环境污染日益加重,对绿色、可持续能源以及高效的环境修复系统的探索在最近几十年引起了广泛的关注。多孔有机聚合物(POPs)由于具有高的比表面积、永久性多孔结构、结构单元多样、优异的热化学稳定性等被广泛应用于气体存储与分离、能量存储、化学传感器、药物递送、光电子、质子电导率和多相催化等领域。通过调控构筑基元和聚合技术,可以很好的优化POPs的孔径、比表面积等性质。同时,该类材料可以被各种功能基团进行化学修饰,从而获得新的特性。因此,POPs作为一类功能性多孔材料在环境和能源领域具有潜在应用价值。本论文通过选择合适的反应单体,控制反应条件合成了系列功能性多孔有机聚合物,旨在用于环境中重金属汞离子吸附分离和超级电容器等领域。主要研究内容如下:(1)我们选择含噻吩单元的有机单体与三(4-硼酸频呢醇酯苯基)胺通过Suzuki偶联反应制备了两种功能多孔有机聚合物LNU-48和LNU-49。制备的两种材料具有延长的π共轭骨架、大量的螯合位点以及高的亲和力,可实现对重金属汞离子的快速吸附能力。实验结果表明,该类材料在强酸下对汞离子也展现出较高的吸附容量。LNU-49在水溶液中对Hg吸附能力高达375 mg/g。即使在其它干扰金属离子存在的情况下,两种材料对Hg的去除率几乎没有影响,LNU-48和LNU-49对Hg具备较好的吸附选择性,并且可以循环使用。我们通过XPS和FT-IR探索了建立在Hg与两种材料之间的相互作用机理,优异的性能可能是由于紧密堆积的噻吩位点之间的协同作用以及在微孔和介孔中快速扩散所致。以上结果说明含硫多孔有机聚合物作为一种新型固体吸附剂非常适合用于吸附分离污水中的重金属Hg,并且将来可能对于酸性工业废液的处理具有实际应用性。(2)我们选择含有咔唑单元的有机单体与三聚氯氰通过傅-克反应共聚,成功合成了系列功能多孔有机聚合物LNU-50、LNU-51、LNU-52和LNU-53,以四种材料作为前驱体进行不同温度(800～1000°C)的直接碳化形成多孔碳材料,并将其应用于超级电容器电极,在6 M KOH中探究其电化学性能。结果表明,1000°C是四种材料的最佳碳化温度,其中具有最高比表面积的LNU-52-1000展示出最佳的电化学性能,在1 A/g电流密度下,最高比电容可达402 F/g,并且该材料还具有良好的倍率性能和优异的循环稳定性。出色的性能归因于LNU-52-1000具有扩展的π共轭系统用于快速的电子传导、高的比表面积、良好的孔结构以及氮掺杂增加了材料的润湿性。以上结果表明该类材料作为超级电容器电极在环境储能领域具有良好的应用前景。