一种亚胺连接微孔共价有机骨架材料、制备方法及其应用

1.本发明属于多孔材料技术领域，具体涉及一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料制备方法及应用。


背景技术：

2.作为一种新型有机多孔材料，共价有机骨架材料明显有别于传统有机多孔材料。共价有机骨架材料由构筑单元通过可逆反应构建，可以通过自我修正结构缺陷，构建有序的孔道结构。共价有机骨架材料一般由轻元素(碳、氢、氧、氮和硼等)组成，具有高比表面积和低密度的特性。共价有机骨架材料通过有机共价键连接，因此具有较高的热稳定性和化学稳定性。这些优良的特性使得共价有机骨架材料在气体储存和分离、非均相催化、质子传输、离子电池等领域具有潜在的应用前景(acc.chem.res.，2015,48,3053；chem.soc.rev.,2013,42,548；chem.soc.rev.,2019,48,2665)。
3.虽然可以通过对构筑单元的精细选择和调节，实现共价有机骨架材料孔道形状和尺寸的预设计，但是由于较小尺寸的单体难于寻觅或人工合成，因此具有较小孔道尺寸的微孔共价有机骨架材料十分少见，已报道的微孔共价有机骨架材料也大多因化学稳定性不佳难以具备实际应用价值；因此开发超稳定微孔共价有机骨架材料，对丰富材料的结构与功能具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有的技术不足，提供一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料、制备方法及其应用，通过本发明的方法合成的共价有机骨架材料含有大量氮和氧杂原子，能与二氧化碳分子发生有效作用，使得本发明中的共价有机骨架材料可以应用于二氧化碳分子的吸附和分离领域。
5.本发明通过如下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料，是由具有甲氧基取代的芳香多醛化合物与三(4-氨基苯基)胺通过席夫碱缩合反应得到的共价有机骨架结构，其结构式如下：
[0007][0008]
其中，n1为2到1000的整数；n2为2到1000的整数。
[0009]
第二方面，本发明提供了上述一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料的制备方法，具体步骤如下：
[0010]
将有机溶剂和冰醋酸分散在蒸馏水中，形成混合溶液；将甲氧基取代的芳香多醛化合物及三(4-氨基苯基)胺分散在上述混合溶液中；在氮气保护下，于90～120℃温度下反应72～120小时；减压过滤反应后的固体，用无水二甲基甲酰胺和丙酮分别洗涤三次，以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取12～14小时，最后将固体粉末置于60℃～80℃真空干燥12小时，得到亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料。
[0011]
进一步地，所述有机溶剂为邻二氯苯和1-丁醇的混合溶液。
[0012]
进一步地，所述甲氧基取代的芳香多醛化合物为1,3,5-三(3-甲氧基-4甲酰基苯基)苯或2,4,6-三甲氧基苯-1,3,5-三甲醛。
[0013]
进一步地，所述三(4-氨基苯基)胺、甲氧基取代的芳香多醛化合物、邻二氯苯、1-丁醇、冰醋酸和蒸馏水的摩尔比为1:1.0～1.02:34.5～35.4:174.8～175.5:12～13:24～25。
[0014]
第三方面，本发明还提供了一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料在二氧化碳吸附上的应用。
[0015]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0016]
1、本发明合成的一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料，在结构上为一类新型的多孔、结晶框架材料；
[0017]
2、与其他共价有机框架材料相比，具有更显著的化学稳定性和较小的孔径；
[0018]
3、本发明提供的一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料，含有大量氮和氧杂原子，能与二氧化碳分子发生有效作用，使得本发明中的共价有机骨架材料可以用于二氧化碳分子的吸附和分离领域。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明的具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0020]
图1是实施例1中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的红外谱图；
[0021]
图2是实施例1中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的粉末x射线衍射图；
[0022]
图3是实施例1中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的氮气吸附-脱附等温线(77k；实心点代表氮气吸附，空心点代表氮气脱附)；
[0023]
图4是实施例1中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的孔径分布图；
[0024]
图5是实施例2中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的红外谱图；
[0025]
图6是实施例2中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的粉末x射线衍射图；
[0026]
图7是实施例2中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的氮气吸附-脱附等温线(77k；实心点代表氮气吸附，空心点代表氮气脱附)；
[0027]
图8是实施例2中亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的孔径分布图；
[0028]
图9是实施例3中在不同溶剂处理后,亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的红外谱图；
[0029]
图10是实施例3中在不同溶剂处理后,亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的粉末x射线衍射图；
[0030]
图11是实施例4中在不同溶剂处理后,亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的红外谱图；
[0031]
图12是实施例4中在不同溶剂处理后,亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的粉末x射线衍射图；
[0032]
图13是实施例5中在亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1的二氧化碳吸附等温线(25℃；0℃)；
[0033]
图14是实施例5中在亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2的二氧化碳吸附等温线(25℃；0℃)。
具体实施方式
[0034]
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
[0035]
实施例1
[0036]
本实施例提供了一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料，是由甲氧基取代的芳香多醛化合物与三(4-氨基苯基)胺通过席夫碱缩合反应得到的共价有机骨架结构c-1，其结构式如下：
[0037][0038]
上述一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料的制备方法，具体步骤如下：
[0039]
将3.54mmol邻二氯苯、17.48mmol 1-丁醇、1.2mmol冰醋酸分散在2.4mmol蒸馏水中，形成混合溶液；将0.10mmol三(4-氨基苯基)胺和0.10mmol 1,3,5-三(3-甲氧基-4甲酰基苯基)苯分散在上述混合溶液中，在氮气保护下，于120℃温度下反应72小时；减压过滤反应后的固体，用无水二甲基甲酰胺和丙酮分别洗涤3次，以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取12个小时，最后将固体粉末在60℃真空干燥12小时，得到具有高比表面积的亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1，产率89％。
[0040]
反应如下：
[0041][0042]
如图1所示，傅立叶红外光谱分析对c-1进行结构检测，测得亚胺的信号为1601cm-1
，说明c-1具有亚胺键连接结构特征。
[0043]
如图2所示，粉末x射线衍射分析对c-1进行结晶性测试检测，较强的信号峰分布在6.46
°
、11.14
°
和12.78
°
，说明c-1具有良好的结晶性。
[0044]
如图3所示，用比表面积及孔径分析仪对c-1进行比表面积测试，测得比表面积为876m
2 g-1
，说明c-1具有多孔性且具有较高的比表面积。
[0045]
如图4所示，用比表面积及孔径分析仪对c-1进行孔径分布测试，测得其孔尺寸主要分布在1.61nm，说明c-1具有微孔孔道特征。
[0046]
实施例2
[0047]
本发明提供了一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料，是由甲氧基取代的芳香多醛化合物与三(4-氨基苯基)胺通过席夫碱缩合反应得到的共价有机骨架结构c-2，其结构式如下：
[0048][0049]
上述一种亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料的制备方法，具体包括如下步骤：
[0050]
将3.54mmol，邻二氯苯、17.48mmol，1-丁醇、1.2mmol冰醋酸分散在2.4mmol蒸馏水中，形成混合溶液；将0.10mmol三(4-氨基苯基)胺和0.10mmol 2,4,6-三甲氧基苯-1,3,5-三甲醛分散在上述混合溶液中；在氮气保护下，于120℃温度下反应72小时。减压过滤反应后的固体，用无水二甲基甲酰胺和丙酮分别洗涤3次，以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取12个小时，最后将固体粉末在60℃真空干燥12小时，得到具有高比表面积的亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2，产率86％。
[0051]
反应如下：
[0052][0053]
如图5所示，傅立叶红外光谱分析对c-2进行结构检测，测得亚胺的信号为1600cm-1
，说明c-2具有亚胺键连接结构特征。
[0054]
如图6所示，粉末x射线衍射分析对c-2进行结晶性测试检测，较强的信号峰分布在4.46
°
、7.72
°
、8.94
°
和11.84
°
，说明c-2具有良好的结晶性。
[0055]
如图7所示，用比表面积及孔径分析仪对c-2进行比表面积测试，测得比表面积为722m
2 g-1
，说明c-2具有多孔性且具有较高的比表面积。
[0056]
如图8所示，用比表面积及孔径分析仪对c-2进行孔径分布测试，测得其孔尺寸主要分布在0.85nm，说明c-2具有微孔孔道特征。
[0057]
实施例3
[0058]
将亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1样品分别浸泡在水、二甲基甲酰胺、盐酸(6m)、和氢氧化钠(6m)等溶剂中72小时。然后，减压过滤，用二甲基甲酰胺和丙酮分别洗涤3次，得到固体粉末；最终，将所述的固体粉末在60℃真空干燥12小时，得到溶剂处理后的c-1。
[0059]
如图9所示，傅立叶红外光谱分析对溶剂处理前后的c-1进行结构检测，所有的样品显示相似的信号，证明了c-1具有较好的化学稳定性；
[0060]
如图10所示，粉末x射线衍射分析对溶剂处理前后的c-1进行结晶性检测，所有的样品显示较强的结晶性，证明了c-1具有较好的化学稳定性。
[0061]
实施例4
[0062]
将亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-2样品分别浸泡在水、二甲基甲酰胺、盐酸(6m)、和氢氧化钠(6m)等溶剂中72小时。然后，减压过滤，用二甲基甲酰胺和丙酮分别洗涤3次，得到固体粉末；最终，将所述的固体粉末在60℃真空干燥12小时，得到溶剂处理后的c-2。
[0063]
如图11所示，傅立叶红外光谱分析对溶剂处理前后的c-2进行结构检测，所有的样品显示相似的信号，证明了c-2具有较好的化学稳定性。
[0064]
如图12所示，粉末x射线衍射分析对溶剂处理前后的c-2进行结晶性检测，所有的样品显示较强的结晶性，证明了c-2具有较好的化学稳定性。
[0065]
实施例5
[0066]
实施例1和实施例2亚胺连接的超稳定微孔共价有机骨架材料c-1和c-2，分别在25℃和0℃，0～0.1mpa下测得二氧化碳吸附量。
[0067]
见表1，以重量百分比计算，0.1mpa、0℃条件下，c-1和c-2的二氧化碳吸附量分别达到16.9％(图13)和20.4％(图14)，在目前的二氧化碳存储材料中，性能卓越；
[0068]
表1实施例1和实施例2制备的样品对二氧化碳的吸附数据表
[0069][0070]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0071]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0072]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。