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[材料资讯] 朱广山课题组《Advanced Materials》:在离子型多孔芳香骨架材料合成应用取得重要进展

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发表于 2019-10-2 08:54:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
        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。

催化剂

催化剂
相关报道链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/SC/C8SC03727B#!divAbstract
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902444


多孔芳香骨架材料 (PAFs) 是我国多孔材料科学家朱广山教授和裘式纶教授课题组自主研发,并且已经初步获得国际同行认可的功能材料。该类材料是由轻元素 (C, H, B, O, N等) 通过不可逆共价键连接形成的一类具有低密度、连续多孔性以及大比表面积的新型多孔材料。与传统的无机材料和金属有机骨架材料相比,PAFs材料具有局部有序、长程无序的骨架结构,其在酸碱、氧气、湿气等工业环境中拥有良好的稳定性。优异的性质使得多孔芳香骨架材料吸引了科学家们的广泛关注。


田宇阳东北师范大学副教授。2007年毕业于吉林大学化学学院,之后进入吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室进行硕士及博士学习,主要进行微孔沸石与分子筛材料的合成与表征,分子筛膜的合成及其气体分离性质研究。2010年获得国家留学基金委(CSC)全额资助奖学金赴英国圣安德鲁斯大学进行博士学习,导师为Russell Morris教授。2014年获得圣安德鲁斯大学博士学位,回国加入东北师范大学多酸科学教育部重点实验室,被聘为特别副研究员。博士期间主要从事的工作为微孔晶体材料的新型合成路线研究及表征(博士论文题目“Synthesis and Characterization of Crystalline Microporous Materials: Investigation of New Synthetic Routes”)。主要研究通过自组装方法,固相化学反应,离子热合成及定向设计等途径合成沸石材料与金属有机骨架微孔晶体材料,并利用同步辐射X射线衍射,固体核磁共振,电子显微及电子衍射技术,气体吸附等方法对其结构进行表征,研究这些材料在气体吸附,药物缓释方面的应用。在相关领域发表SCI论文10篇。博士期间多次参加多孔材料领域的国际会议,(MOF2012 in Edinburgh, 34th Annual Meeting of the British Zeolite Association等)并做报告。


朱广山,东北师范大学教授,博士生导师。国家杰出青年基金获得者,教育部“长江学者”特聘教授、首批“万人计划”科技创新领军人才、国务院特殊津贴专家、吉林省政协委员、吉林大学唐敖庆特聘教授、比利时那摩尔大学客座教授。朱广山教授长期从事新型多孔材料的定向合成、性质与结构研究、以及潜在应用的开发。在上述各前沿领域中取得了丰硕的成果,研究成果受到国际同行的高度认可。近年来,在Nature Commu., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际核心一流学术刊物上发表SCI 论文270余篇, 他引6800余次, H-index为51, 申请发明专利30篇已获授权14 篇。多次应邀参加相关领域的国际会议,并做大会特邀报告及担任分会主席。是国内外著名化学杂志(J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Commun., Chem.-Eur. J., Inorg. Chem., J. Mater. Chem.等)的审稿人和国家自然科学基金的评审人。现正在主持的和已完成的项目有:国家杰出青年基金“无机化学”;国际科技合作与交流专项“无机金属有机骨架化合物合成及储氢性能研究”;国家自然基金委重点项目“无机微孔晶体的设计合成与储能性能研究”;高等学校科技创新工程重大项目培育基金“孔道结构无机固体材料的功能组装”;国家自然科学基金项目“高机械强度大面积有序分子筛膜的制备与性质研究”;国家自然科学基金委面上项目“以分子筛为主体的光学微器件制备与性质研究”;国家自然科学基金青年基金“高质量分子筛单晶合成、组装和性能研究”;教育部优秀归国基金“微孔晶体材料巨大单晶的合成”;教育部新世纪优秀人才资助计划;吉林省科技厅“吉林省杰出青年科技基金”等项目。主要研究方向:1. 分子筛高质量巨大单晶和高有序膜的合成与制备以及在光学微器件、气体分离方面的开发与应用;2. 吸附分离导向的多孔芳香骨架材料的目标合成;3. MOFs晶体和膜材料的合成与制备及其储气与分离性能研究。




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