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北理工王博、冯霄团队在有机多孔骨架领域取得新进展

作者: | 发布日期:2019-02-22  |  浏览量:   

供稿:冯霄       编辑:秦月

 

  有机多孔材料包括共价有机骨架材料(COFs)、共轭微孔聚合物(CMPs)、多孔芳香骨架材料(PAFs)等,是一类新型的具有高比表面积、丰富孔内环境的多孔高分子材料。这类材料在气体吸附与贮存、催化等领域表现出优异的应用前景。王博教授、冯霄特别研究员在这一领域开展系列研究,并于近期取得以下研究成果。

 

  水污染等环境问题是当今社会面临的一大挑战,通过光催化反应对污染物进行高级氧化降解有望成为一种更加高效、节能的污染物处理方法。王博、冯霄团队通过三键聚合反应构筑了系列基于二茂铁基元的共轭微孔聚合物(Fc-CMPs)用于有毒有害物质降解研究。Fc-CMPs具有较大的孔径和比表面积,使得污染物容易进入孔道进行预富集并可充分接近易发生氧化还原反应的内表面,同时Fc-CMPs合适的分子轨道能级使得这类材料可高效产生活性氧物种。在可见光和模拟太阳光下,Fc-CMPs光催化降解亚甲蓝的能力均优于二氧化钛 (P25),并且能够将化学战剂芥子气模拟物(2-氯乙基乙基硫醚)完全转化为无毒产物。该研究工作发表在德国应用化学上( Angew. Chem. Int. Ed. , 2019, DOI: 10.1002/anie.201813598),文章第一作者为博士生马丽,通讯作者为王博和冯霄。

  

 

  在前期工作中( Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56 , 16313,第一作者为博士生张媛媛,通讯作者为冯霄),该团队曾成功开发出基于环糊精的三维共价有机骨架材料(CD-COFs),该系列COFs为首次利用柔性基元构筑的具有 rra 拓扑学结构并通过离子型硼元素连接的三维COFs材料。其中,CD-COF-LiéLiPF6-EC-DMC的室温锂离子电导率可以达到2.7 mS cm-1。然而,其中残留的微量电解液可能会在实际应用过程中带来一定的安全隐患。为解决这一问题,该团队将低分子量聚乙二醇(PEG)装载入COF孔道中加速锂离子传导,制备出没有溶剂残留的全固态电解质,并系统性研究了COF骨架电荷对于锂离子传导行为的影响,实现大于0.6的锂离子迁移数以及120 °C 下1.8 mS cm?1的离子传导速率。这一简单的通过担载PEG加速离子传导并提高工作温度范围的策略为将多孔材料进一步应用于全固态电池领域提供了可能。该研究工作发表在美国化学会志上,并被选为封面文章( J. Am. Chem. Soc. , 2019, 141, 1923),文章第一作者为硕士生郭振彬和博士生张媛媛,通讯作者为王博和冯霄。

  

 

  有机多孔材料大多不溶不熔,为其进一步器件化等实际应用带来了巨大挑战。该团队在前期大量成膜化研究基础上,成功利用液液界面成膜法开发了具有不同长度烷氧基链修饰的系列COF薄膜材料,并对其介电常数等相关性质进行了研究。该系列柔性的COF膜具有接近于空气的介电常数值(在105 Hz下, κ = 1.19 ± 0.04),可媲美目前已报道的无机多孔材料,并且这类COF薄膜材料表现出较好的机械性能、低介电损耗、高击穿电压、低漏电流、高抗湿度和抗弯折能力。低介电常数材料被广泛应用于电子电路器件中的绝缘层,用于减少信号延迟、串扰噪声和能量耗散。除此之外,高介电常数材料可以应用于场效应晶体管的栅极和电容器当中,该团队还利用COF薄膜装载小分子极性化合物,可将其介电常数提升43倍。该研究工作发表在德国应用化学上( Angew. Chem. Int. Ed. , 2018, 57, 16501),文章第一作者为博士生邵鹏鹏、李婕,通讯作者为王博和冯霄。

  

 

  上述相关文章链接如下:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201813598;https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13551; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201710633;https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201811250。

  

  团队成员介绍:

  王博,特聘教授,前沿交叉科学研究院执行院长。国家杰出青年基金获得者,科技部中青年科技创新领军人才,第二批“青年千人”。获 “中国化学会青年化学奖”。现任国际IZA 学会MOF Commission常务理事,中国交通部环境与可持续发展学会常务理事,中国化学快报和中国化学学报等杂志编委。研究方向主要涉及无机有机多孔骨架材料及成膜研究,在大气治理、污染物滤除和降解、储能等领域开展系列研究工作。已在 Nature 、 Science 、 JACS 、 Angew. 等学术期刊上发表60余篇论文, SCI他引超过7000次。空气滤膜等技术已经与相关企业合作,实现了规模化量产与工业化应用。

  冯霄,特别研究员,化学与化工学院。研究方向主要为共价有机骨架材料等结晶多孔材料的构效关系研究。以第一或通讯作者发表包括5篇 J. Am. Chem. Soc. 、5篇 Angew. Chem. Int. Ed. 、2篇 Adv. Mater. 等28篇文章。全部论文他引3200余次,H指数30。研究成果受到国内外学者的认可和关注,被国际专业期刊多次评述报道。

  

(审核:周明宇)

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