基于全共轭马鞍状配体的有机框架材料的设计合成与应用

作     者：王正奇 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王世涛;张福丽

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 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：3D-COF 完全共轭 锂离子电池 3D-HOF 气体吸附 Xe/Kr吸附 

摘      要：有机框架材料由于其多孔性、高比表面积和低密度等优点在众多领域都有应用。其中共价有机框架（COF）材料和氢键有机框架（HOF）材料由于其独特性能受到众多关注。COF是由共价键连接的有机多孔材料,其中全共轭三维COF具有更稳定的结构和更高的电子传导率。HOF是由有机配体通过氢键相互作用自组装形成的,不含金属离子,易于净化和再生,HOF材料在气体吸附分离、生物医学等领域已多有报道。本文基于全共轭马鞍状配体（COTh P）,引入-CHO后形成COTh P-CHO,与s-吲哚-1,3,5,7（2H,6H）-四酮（ICTO）发生缩聚反应,合成了一种新型的碳碳双键连接的全共轭三维COF,研究了其电化学储能特性;引入-COOH后形成COTh P-COOH,将COTh P-COOH溶于溶剂后通过气相挥发法,合成了一种新型三维HOF,研究了其气体吸附与分离应用。 1、COTh P-CHO与ICTO通过溶剂热反应首次合成了全共轭三维COF材料BUCT-COF-8。BUCT-COF-8具有高比表面积和全共轭三维结构,其电导率达到1.49×10-2 S·m-1,在COF材料中为较高的水平。BUCT-COF-8由共价键连接,具有良好的稳定性。该COF富含羰基,可作为锂离子的氧化还原活性位点,将BUCT-COF-8作为电极材料应用于锂电池,其在1 A·g-1下循环1000圈后库伦效率保持在99.90%,容量保持率为98.96%;在0.1 A·g-1下电池容量为238.3 m Ah·g-1。该电池具有高容量和高稳定性,这项工作首次将全共轭三维COF应用于锂离子电池正极材料,为有机正极材料的研究起到了指引作用。 2、马鞍型结构的COTh P-COOH在室温下自组装形成一新型HOF材料BUCT-HOF-1。芳香环提供π-π堆积相互作用,提高了BUCT-HOF-1的结构稳定性。利用BUCT-HOF-1的多孔隙和可再生特性,将其应用于气体吸附和分离。273 K、298 K和308 K下分别测试BUCT-HOF-1吸附Xe和Kr。298 K下BUCT-HOF-1对于Xe和Kr的吸附量分别为16.81和6.61cm3·g-1,1 bar下IAST选择性（Xe:Kr=20:80）能达到2.63。同时298 K下Xe的吸附量远高于N2(0.43 cm3·g-1)和O2(1.04 cm3·g-1),选择性分别为40.44（Xe:N2=1:99）和36.83（Xe:O2=1:99）。BUCT-HOF-1对C2H2和C2H4能起到筛分的效果,在298 K吸附量分别为20.17和12.95 cm3·g-1,IAST选择性（C2H2:C2H4=50:50）为1.75。298K下BUCT-HOF-1吸附CO2,吸附量为18.79 cm3·g-1,计算IAST选择性（CO2:N2=10:90）为93.86。该工作为气体吸附材料研究提供了参考。