朱广山教授研究团队在离子型多孔芳香骨架材料合成应用取得重要进展-东北师范大学多酸实验室

朱广山教授研究团队在离子型多孔芳香骨架材料合成应用取得重要进展

作者：时间：2019-09-20 点击数：

燃油脱硫可以有效降低尾气中硫化物的排放，对环境的可持续发展具有重要意义。目前，利用沸石、活性炭、金属有机骨架等多孔吸附剂进行了吸附脱硫的研究多有报道。而对于在化学和水热学上都非常稳定的多孔芳香族骨架（PAFs）材料进行脱硫的研究还鲜有报道。在此背景下，田宇阳副教授采用前体设计和一步交叉偶联的合成路线，成功开发了咪唑功能化的离子型多孔芳香族骨架（iPAF-1）。利用前体设计的合成方法，不仅可以将咪唑功能位点化学计量地引入材料框架中，保证了产物中吸附活性位点的均匀分布，还使得基于分子动力学的计算模拟功能化PAFs结构首次成为可能。吸附脱硫实验结果表明，具有中等比表面积的iPAF-1对二苯并噻吩(DBT)的吸附量是目前报道的所有多孔材料中最大的。为了进一步了解吸附脱硫过程以及咪唑官能团在iPAF-1中的作用，对iPAF-1的复杂结构和脱硫过程进行了计算模拟。模拟结果表明，合适的结合能对客体分子的扩散和吸附起关键作用。在材料iPAF-1中，咪唑官能团为燃油中的DBT提供了合适的吸附活性位点，同时理论模拟的吸附结果与实验结果吻合较好。本研究为未来多孔芳香骨架材料结构工程学设计和环境可持续发展提供了新的思路。该工作由田宇阳副教授和2016级博士研究生宋健为共同第一作者，朱广山教授为通讯作者，发表在国际著名期刊《Chemical Science》上 (Understanding the desulphurization process in an ionic porous aromatic framework；IF = 9.556)。

新型催化剂的合理设计是合成化学的核心任务之一。在温和条件下开发高效、高转化率、高反应速率的催化剂是实现绿色化学和可持续能源的关键。PAFs材料具有超高的比表面积和交互通道，为催化中心提供了潜在的引入位置，良好的化学稳定性对催化剂的回收利用具有重要意义。此外，PAFs的苯环易于修饰以调节其性质和功能，使得合理控制不同反应活性和极性的有机分子的吸附和扩散行为成为可能。因此，将PAFs材料作为多孔载体，引入具有高催化活性的多金属氧酸盐(POM)，进而合成出高效新型催化剂是一个合理的设计思路。然而，考虑到要避免堵塞多孔材料的孔洞和防止催化活性中心的泄漏，多孔材料载体的设计和选择仍然具有挑战性。以前述研究工作为基础，田宇阳副教授选择了具有有机硫化合物吸附能力的阳离子多孔芳香骨架iPAF-1作为多孔载体，通过离子交换作用将一系列具有氧化活性的多酸阴离子引入到材料中并进行了氧化脱硫催化反应。实验结果表明，阳离子多孔芳香骨架材料对多酸阴离子具有超强的负载能力，多酸阴离子与孔道内阳离子相互作用导致材料结构变化，形成了微介多级孔材料。阳离子PAFs骨架结构对反应底物的特异性优先捕获加上能够促进催化底物传递的微介孔多级结构，使得该催化剂表现出了明显的协同催化效应。该工作由朱广山教授团队和王晓红教授团队合作完成，成果近期发表在国际顶级材料类期刊《Advanced Materials》上(Synergic Catalysts of Polyoxometalate@Cationic Porous Aromatic Frameworks: Reciprocal Modulation of Both Capture and Conversion Materials；IF = 25.809)。论文的第一作者是2016级博士研究生宋健和2017级博士研究生李月，田宇阳副教授和朱广山教授为共同通讯作者。