亚胺型有机分子笼的合成及其碘吸附性能研究

作     者：徐瑞瞳 

作者单位：东北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王保林

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：多孔有机材料 有机分子笼 碘吸附 化学吸附 

摘      要：多孔有机分子笼（POCs）是一种新型的结晶固体,其中通过希夫碱反应制得的有机亚胺笼,具有低骨架密度、笼内外双重孔隙、可调控的孔尺寸、多活性位点、结构单元明确等优势,在质子传导、负载纳米粒子、吸附分离等领域有着广泛应用,是一类近年来研究的热门材料。核废料和核事故过程中会产生大量放射性污染物,其中放射性碘能够在人体的甲状腺中聚集,影响代谢过程,对生命体安全以及生态环境造成威胁,因此放射性碘的高效吸附研究具有重要意义。最新研究表明,有机亚胺笼在碘吸附领域有着潜在应用,引入富电的N,S等杂原子可能会增强对碘的吸附能力,因此,为了开发更高性能的碘吸附材料,本论文设计并合成了一系列含有杂原子（N,S）的有机亚胺笼,并对其结构性质以及其碘吸附性能进行对比研究。具体研究内容如下:1.利用苄基三胺(（2,4,6-三甲基苯-1,3,5-三基）三甲胺)为氨基单元与四种不同的二醛单元(2,5-噻吩二甲醛（SF）、2,6-吡啶二甲醛（BD）、间苯二甲醛（BEN）、2,2 -联噻吩-5,5 -二甲醛（LSF）)在室温下通过希夫碱反应制备了四种亚胺型分子笼（Cage XMe,X=SF,BD,BEN,LSF）。X-单晶衍射结果表明除Cage SFMe为[4+6]构型外,其余均为[2+3]构型。碘吸附性能研究表明Cage SFMe对碘蒸气表现出最高的吸附量,可达5.45 g/g;四种分子笼对气态碘表现出相似的高吸附能力;除Cage SFMe外,其余分子笼对溶液中的碘吸附效果较差。吸附机理研究结果显示,吸附碘后分子笼由结晶态变为无定形态;吸附的碘以聚碘离子形式存在;C=N以及N,S杂原子可能为有效的碘吸附位点。2.基于柔性单元可能增强碘吸附性能的报道,我们用柔性的脂肪三胺(三（2-氨乙基）胺)替换苄基三胺,与上述四种二醛单元制备了相应的亚胺型分子笼（Cage NX,X=SF,BD,BEN,LSF）。随后用Na BH还原Cage NSF和Cage NLSF分别得到了Cage NSF（H）和Cage NLSF（H）。X-单晶衍射结果表明上述分子笼均为[2+3]构型。碘吸附实验结果表明Cage NSF对碘蒸气表现出最高的吸附量,可达7.15 g/g;六种分子笼对气态碘及溶液中的碘均可实现高效吸附。吸附机理研究结果显示Cage NSF与Cage SFMe相似。实验结果表明,分子笼中含有的柔性单元可能增强其碘吸附性能;同时进一步证明了C=N以及N,S杂原子可能为有效的碘吸附位点。与文献对比分析可知,本论文合成的十种分子笼对气态碘的吸附能力均处于较高水平。