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离子液体-共价有机框架杂化材料的设计、制备及催化应用

文献类型:学位论文

作者杜一然
答辩日期2021-06-01
文献子类博士
授予单位中国科学院过程工程研究所
导师徐宝华
关键词离子液体,共价有机框架材料,多相催化,异山梨醇,环氧碳酸酯
英文摘要

离子液体-共价有机框架(Ionic liquid-covalent organic framework, IL-COF)杂化材料同时具备了COFs材料可控的孔隙结构、高比表面积、丰富的表面性质和ILs特殊结构调控的高选择性优点,为多相催化反应过程提供了高效催化剂的分子设计思路。开发高活性、高选择性、高稳定性的IL-COF杂化材料是实现其在催化领域应用的关键及难点。本论文以山梨醇脱水和二氧化碳环加成为典型催化反应过程,发展了多种IL-COF材料合成的新方法,重点阐明了其构效关系,提出ILs和多孔COFs协同催化的新策略,开展了四项创新性的研究工作如下:(1)发展了一锅法原位自组装制备BIL-COF(Brønsted ionic liquid, BIL)固体酸催化材料的方法,解决了山梨醇脱水反应中异山梨醇产率低的问题。考察了BILs添加量对BIL-COF杂化材料的结晶性、孔结构、形貌和酸度的影响规律。从表征和实验两方面,揭示了BIL-COF材料中BILs和COFs主客体间的氢键相互作用。讨论了原位自组装法和直接浸渍法两种不同杂化材料的制备方法在山梨醇脱水制备异山梨醇中的催化差异性。最优条件下,可催化山梨醇脱水合成异山梨醇收率达97%,是目前文献报道最高值。(2)通过化学接枝的方法,制备了多孔PIL-COF(Poly(ionic liquid), PIL)碱催化材料,实现了温和条件下山梨醇的高效转化。通过表征分析,获得PILs负载量与PIL-COF的结晶度、孔隙率和碱含量的规律性认识,证明了PILs和COFs复合成功。明确了PIL-COF杂化材料的碱含量、碱强度和多孔结构是影响催化效率的关键因素。考察了反应温度、时间、催化剂用量和溶剂比例对脱水反应效果的影响规律。在140 ℃下反应12 h,PIL-COF催化山梨醇合成异山梨醇产率达到83%,优于单一PIL。通过中间体的检测,提出碱催化山梨醇和DMC制备异山梨醇的反应机理。(3)通过表面官能化和界面生长的方法,设计了新型核壳结构的PPIL@COF(Porous poly(ionic liquid), PPIL)杂化材料,实现了温和条件下的CO2高效转化。通过表征分析证明了PPIL@COF的核壳结构。探究了PPIL和COFs的比例对PPIL@COF杂化材料的催化位点含量、CO2吸附能力和环加成反应性能的影响。揭示了界面羟基与溴离子的协同催化作用。所合成的PPIL@COFA-40在无溶剂和无助剂的温和条件下(100 ℃),催化环氧化物和CO2制备环氧碳酸酯的产率达到93~96%。 (4)采用硬模板和原位聚合相结合的方法,合成了同时具有微孔和大孔结构的PIL-MCOF(Macroporous COF, MCOF)催化材料,增强了CO2的吸附量和底物的扩散传质,解决了环加成反应中反应温度苛刻的问题。通过调节模板剂的尺寸大小、含量和PILs负载量,获得了一系列不同孔道结构和催化位点含量的催化材料。实验结果证明了PIL-MCOF微孔结构提高孔容,增强CO2吸附和大孔结构提高扩散传质的多功能性。在没有金属和助催化剂的条件下,PIL-MCOF杂化材料可在90 ℃,CO2压力1 MPa下高效催化环加成反应,碳酸丙烯酯的产率达到99%。

语种中文
源URL[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60765]  
推荐引用方式
GB/T 7714
杜一然. 离子液体-共价有机框架杂化材料的设计、制备及催化应用[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2021.

入库方式: OAI收割

来源:过程工程研究所

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