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东北师大朱广山Chem. Rev.综述:多孔芳香骨架(PAFs)
发布时间:2020-09-03     作者:harry   分享到:

现实存在多孔性的建材在生态规律界中都现实存在,其孔道深浅从微标准一致延长到经济波动标准。受生态规律界类似建材的感受,由三聚氰胺树脂或可挥发氧化物或两种联系确立的多孔液体一个劲被光催化反应原理除了。此类多孔液体现实存在延长的骨架结构类型,很大可回收利用的内表面能、大的孔洞面积和氧氧分子标准的开启窗体。所以说,这些现代成为了在吸出、催化反应和氧氧分子分开的专业和的技术等等方面常见软件应用的**建材。

多孔芬香骨架(PAFs)就是一种我来国科研开发工作的者表明并命名为的多孔液态素材,兼有平稳的骨架机构类型和超标的接触面积,非常是,什么和什么兼有奇特的使用碳碳键相连接行为的芬香基机构类型单无。各样化的的基本功能表能因素于其PAFs机构类型单无的原有耐腐蚀性能,也能使用己知的充分物反應对芬香基骨架去后绘制来达成。适合一提的是,碳-碳键相连接行为行为使PAFs在刻薄的耐腐蚀加工下能确保动态平衡。这样,与中国传统的多孔素材,如沸石和合金材料充分物骨架不同之处,PAFs在耐腐蚀和的基本功能表上表现形式出特女性朋友。PAFs的奇特的特点使其使用刻薄的耐腐蚀加工去的基本功能表化,并都可以耐受力一些恶劣的生态环境达成实计使用。

【作品间介】

近期,东北师范大学朱广山教授综述了近年来关于多孔芳香骨架(PAFs)的新研究进展。以“Porous Aromatic Frameworks (PAFs)”发表于Chem. Rev.期刊上。在本文中,作者主要围绕PAFs的合成、功能化和应用进行讨论和综述,围绕近十年来国际上众多课题组关于PAFs的研究工作,对这三个部分作了全面的解释,以阐明这一领域的发展状况。作者还总结了PAFs当前研究中所存在的一些问题,并展望了PAFs的发展趋势。

【图案与文字读懂】


1
引言


图一

以四周体格局單元为原辅料,用Yamamoto型Ullmann解耦生理反应分解成的多孔果香骨架PAF-1。


图二

多孔气体提升路程的时序图,以及新板材结合中的必要出现。


图三

PAF科学科研中包括的科学科研领域:PAF方案与合出、框架图工作化极其软件的关心。


2
PAFs的设计原理与合成

2.1PAF-1中孔道结构的形成

2.1.1、结构设计

2.1.2PAF-1的合成

图四

由来于金刚石型式类型(a)的多孔香味骨架P1(b),P2(c)和P3(d)的型式类型装修设计理念。

2.2、基于拓扑的PAFs设计

2.3、合成PAF的建筑单元

2.3.1、建筑单元的几何形状

图五

开发象限开发施工:由四周体开发发展的三棱柱开发,下列关于养成的PAF-100和PAF-101的细缝和預測晶格。


图六

一点有意味性的代替空间结构单元测试卷的分子式,因为其爆发样子区分比如:(a)立米体,(b,c)三棱柱,(d~f)四周围体,(g~i)正方通形,(j~n)四角形。

2.3.2、建筑单元的尺寸效应

2.3.3、框架互穿

图七

同类多孔馥郁骨架材料(PPN)的非互穿前端框架剪力墙特征构造图。


图八

采用设定搭建单元测试卷的程度来制得非互穿架构PAFs的思路。

2.3.4PAF设计与合成中的计算模拟

2.4、反应

2.4.1YamamotoUllmann耦合反应

图九

PAFs聚合最常用的(a)Yamamoto型Ullmann偶联和(b)Pd离子液体的Sonogashira交叉性偶联的**偶联响应左右的机制十分。

2.4.2、其他耦合反应

2.4.3、氰基环三聚

2.4.4、合成PAF的新反应的开发

图十

一下常常用的用以制成多孔骨架的偶联反响:(a)Yamamoto型Ullmann偶联,(b)Suzuki-Miyaura穿插偶联,(c)Sonogashira-Hagihara穿插偶联,(d)Mizoroki-Heck穿插偶联,(e)硫化Eglinton偶联,(f)碱介导的偶氮建立,(g)酰亚胺化反响,(h)亲核转变反响,(i)氰基环三聚和(j)哌啶上的亲核转变反响。

2.5PAFs的结构分析

2.5.1、困难与挑战

2.5.2、傅立叶变换红外光谱法

2.5.3、核磁共振

2.5.4、热重分析和元素分析

2.5.5、孔隙率测定

3
PAF功能化的一般策略和例子


图十一

PAF效果化的这三种基本的方案提醒图。

3.1、直接合成

图十二

从头开始制作而成策略制得甲基,甲醇或邻苯二甲酰亚胺官能化的PAFs。

3.2、合成后修饰

图十三

磺酸盐接枝的多孔聚合物网络(PPN-6-SO3H)的合成后修饰程序图。

3.3、后修饰具有预锚定位置的PAF

3.4、电荷型骨架PAFs

图十四

由阴正离子结构类型单元测试卷直接的转化成通电的PAFs。

3.6PAF框架的润湿性和极性

4
PAF应用的新技术

4.1、气体吸附

4.1.1、储氢

图十五                                                                                                              

H2质量容量与相应PAFs表面积的关系。质量容量在48至60 bar的压力范围下测得。


图十六

H2质量容量与相应PAFs表面积的关系。质量容量在在常压下测得。


图十七

H2的吸附热/焓的绝对值与相应PAFs孔径的对应关系。


图十八

Li-PAF-1的合成过程。通过锂化过程,将PAF-1中的芳环(蓝色)还原为活化的H2存储位点(红色)。

4.1.2、甲烷吸附

图十九

二氧化氮/芬香族簇在MP2/6-311 G(d, p)能力的推广空间结构提示了二氧化氮碳原子与PAF中一些芬香基标段范围内的相互间功效。


图二十

CH4的吸附与相应PAFs材料及衍生物的表面积的关系。对偏离更佳拟合线**的材料的吸附热进行标记。

4.1.3CO2捕获

图二十一

二氢呋喃功能化的DHF_PAF-1模拟结构。在环境压力和298 K下,DHF_PAF-1在四个模拟的功能性PAFs中表现出更高的CO2吸收能力。


图二十二

经PEI浸渍的PAF-5的孔体积减小,但CO2结合强度提高。底部曲线表示PAF-5(黑色),PEI(10 wt%)⊂PAF-5(绿色),PEI(30 wt%)⊂PAF-5(蓝色)和PEI(40 wt%)⊂PAF-5(红色)的N2吸附等温线(左下)和CO2吸附等温线(右下)。

4.1.4、烃类混合物的吸附分离

图二十三

在PAF-1中带来银位点,完成π络合物角色做到乙稀/乙烷**转移。

4.1.5、氨的捕获

图二十四

根据的框架互穿耐热性变现的还具有羧基分工协作功能表的PAF资料广泛用于氯气的**溶解。

4.2、膜分离

图二十五

PAF-1/超的玻璃态配位混物组合产品膜的抗陈化性能方面。


图二十六

当使用PIM-1膜和PIM-1/PAF-1混合基质膜分离H2/N2混合物时,渗透物中的H2渗透性和H2浓度会随时间变化。

4.3、有害有机物的吸附

4.3.1、有害有机物的捕获

4.3.2、痕量有机物的富集分析

4.4、无机物的吸附

4.4.1、捕获金属以进行环境修复和检测

图二十七

PAF-1-SMe待选择性地从海洋生物件液中捉捕铜并经由比色法量测铜密度。

4.4.2、海水提铀

图二十八

都具有铀捕捉到位点的碳原子构成痕迹PAF的方案和提炼思路。(a)构成单元尺寸和铀捕捉到位点,(b)借助Mizoroki-Heck交错式偶联响应提炼的PAF骨架,已经(c)在骨马路上修饰语了铀捕捉到位点的碳原子构成痕迹PAF。

4.4.3、非金属化合物的吸附

4.5PAFs用于催化

4.5.1PAFs用于级联催化

图二十九

在多孔缔合物香气骨架(PPAF)努力行双实用功能突显,将酸是碱性的位点和是碱性的位点转化指定骨架做到结合催化剂的作用。

4.5.2PAFs用于不对称催化

4.5.3、卟啉PAFs用于氧化还原催化

4.5.4PAFs用于光催化

4.5.5PAFs负载金属催化

图三十

兼有溶解和转出(离心分离)位点的人员酶大分子印子PAF。

4.5.6、多级孔催化剂

图三十一


介孔PAF70-NH2的合成及具有较大空间位阻的硫脲分子的修饰,得到PAF70-硫脲。


图三十二

具备有动态的阳化合物基团的类金刚石PAF中伴随阴化合物传递诱发的设计的变化的碳原子原因学模拟训练。

4.5.7PAFs基催化所面临的挑战

4.6PAFs用于纳米反应器

图三十三

PAFs看做奈米想法器:可以通过丙烯腈在PAF-1骨架的紧闭服务器中华位整合行成聚丙乙烯腈。

4.7PAFs用于传感

4.8PAFs在医学方面的应用

4.9PAFs及其电化学衍生物

4.10、刺激响应型PAFs

图三十四

以螺吡喃看做功能键性节构单元尺寸的PAFs在强酸和偏碱有毒气体曝光下体现出可逆反应的会变色按钮性。


5
总结和展望


【个人总结】

小说小说作家越来越全部地文献综述了近余年来并于多孔香味骨架(PAFs)的论述进况。小说小说作家从PAFs的结构的结构设计的概念和分解成学起,陈述PAFs的效果键化和技术应运论述,分为树脂吸附、提取和离子液体的反应的长规技术应运以其微米的反应釜,调节器和对兴奋强烈的自动化材料等非常广泛的技术应运。小说小说作家看来,PAFs的独效果性取决于其具备眼镜框架稳定可靠性和效果键绘制性。故而,PAFs可使用非常普适的效果键化具体方法 ,将分解成和技术应运性紧密结合在混着,保持以效果键为层面的结构设计的概念分解成具备所需要的效果的PAFs。同時,PAFs的靶向药物定项分解成、效果键化和技术应运以融合具体方法具体表现起来,都引领了该区域极速未来开发。小说小说作家在原文中也提升,PAFs的技术应运论述仍遭受着不少事情和考验。就比如高面积PAFs的效果键化会致使其孔隙率率明星削减;PAFs分解成成本低值钱且在分解成全过程中存留的稀有金属材料离子液体的反应剂堵住洞眼;PAFs的分解能力差、处理效果不佳性功能下降,这样的事情和事情广泛存取决于现周期PAFs论述中,处理这样的事情将进一部引领PAFs的未来开发。

论文联接:

Porous Aromatic Frameworks (PAFs)Chem.Rev., 2020. DOI: //dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00687.)

【朱广山教援介简】



朱广山,男,东北师范大学化学学院教授博士生导师化学学院院长多酸科学教育部重点实验室主任长江学者国家杰出青年科学基金获得者“万人计划”中青年科技创新领军人才,享受国务院特殊津贴,民盟中央委员。2014年起,担任《Science China Materials》、《化学学报》、《中国化学快报》编委。是国际**期刊Matter及ACS Central Science的顾问委员会成员(Editorial Advisory Board)。研究工作涉及吸附分离导向的多孔芳香骨架(PAFs)的设计合成及**功能应用,多孔支撑膜的制备及其气体分离,金属有机框架材料的设计合成以及纳米孔材料**传输体系等方面的研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等国内外杂志发表研究论文390余篇,H-Index为65,出版英文专著1部,获得国内授权专利20余项。主持参与国家自然科学基金(包括重点项目、杰出青年基金、面上项目、国际合作等)、省部级项目等10项以及973项目子课题2项。

研究课题近两年来文章内容:

1       Ben, T.; Ren, H.; Ma, S.; Cao, D.; Lan, J.; Jing, X.; Wang, W.; Xu, J.; Deng, F.; Simmons, J. M. et al., Targeted Synthesis of a Porous Aromatic Framework with High Stability and Exceptionally High Surface Area.Angew. Chem.Int. Ed.200948, 9457-9460.

2       Yuan, Y.; Meng, Q. H.; Faheem, M.; Yang, Y. J.; Li, Z. N.; Wang, Z. Y.; Deng, D.; Sun, F. X.; He, H. M.; Huang, Y. H. et al., A Molecular Coordination Template Strategy for Designing Selective Porous Aromatic Framework Materials for Uranyl Capture.ACS Cent. Sci. 20195, 1432-1439.

3       Song, J.; Li, Y.; Cao, P.; Jing, X. F.; Faheem, M.; Matsuo, Y.; Zhu, Y. L.; Tian, Y. Y.; Wang, X. H.; Zhu, G. S., Synergic Catalysts of Polyoxometalate@Cationic Porous Aromatic Frameworks: Reciprocal Modulation of Both Capture and Conversion Materials. Adv. Mater.201931, 9.

4       Yu, G. L.; Zou, X. Q.; Sun, L.; Liu, B. S.; Wang, Z. Y.; Zhang, P. P.; Zhu, G. S., Constructing Connected Paths between UiO-66 and PIM-1 to Improve Membrane CO2 Separation with Crystal-Like Gas Selectivity. Adv. Mater.201931, 9.

5       Tian, Y. Y.; Song, J.; Zhu, Y. L.; Zhao, H. Y.; Muhammad, F.; Ma, T. T.; Chen, M.; Zhu, G. S., Understanding the desulphurization process in an ionic porous aromatic framework. Chem. Sci.201910, 606-613.

6       Jiang, L. C.; Tian, Y. Y.; Sun, T.; Zhu, Y. L.; Ren, H.; Zou, X. Q.; Ma, Y. H.; Meihaus, K. R.; Long, J. R.; Zhu, G. S., A Crystalline Polyimide Porous Organic Framework for Selective Adsorption of Acetylene over EthyleneJ. Am. Chem. Soc.2018140, 15724-15730.

7       Li, M. P.; Ren, H.; Sun, F. X.; Tian, Y. Y.; Zhu, Y. L.; Li, J. L.; Mu, X.; Xu, J.; Deng, F.; Zhu, G. S., Construction of Porous Aromatic Frameworks with Exceptional Porosity via Building Unit Engineering. Adv. Mater. 201830, 7.

8       Yuan, Y.; Yang, Y. J.; Faheem, M.; Zou, X. Q.; Ma, X. J.; Wang, Z. Y.; Meng, Q. H.; Wang, L. L.; Zhao, S.; Zhu, G. S., Molecularly Imprinted Porous Aromatic Frameworks Serving as Porous Artificial Enzymes. Adv. Mater.201830, 9.

9       Yang, Y. J.; Faheem, M.; Wang, L. L.; Meng, Q. H.; Sha, H. Y.; Yang, N.; Yuan, Y.; Zhu, G. S., Surface Pore Engineering of Covalent Organic Frameworks for Ammonia Capture through Synergistic Multivariate and Open Metal Site Approaches. ACS Cent. Sci.20184, 748-754.

10     Jing, L. P.; Sun, J. S.; Sun, F. X.; Chen, P.; Zhu, G. S., Porous aromatic framework with mesopores as a platform for a super-efficient heterogeneous Pd-based organometallic catalysis. Chem. Sci. 20189, 3523-3530.

11     Zou, X. Q.; Zhu, G. S., Microporous Organic Materials for Membrane-Based Gas Separation. Adv. Mater. 201830, 13.

12     Yuan, Y.; Cui, P.; Tian, Y. Y.; Zou, X. Q.; Zhou, Y. X.; Sun, F. X.; Zhu, G. S., Coupling fullerene into porous aromatic frameworks for gas selective sorption. Chem. Sci. 20167, 3751-3756.

13     Yan, Z. J.; Yuan, Y.; Tian, Y. Y.; Zhang, D. M.; Zhu, G. S., Highly Efficient Enrichment of Volatile Iodine by Charged Porous Aromatic Frameworks with Three Sorption Sites. Angew. Chem.Int. Ed.201554, 12733-12737.

14     Ye, Y.; Yajie, Y.; Xujiao, M.; Qinghao, M.; Lili, W.; Shuai, Z.; Guangshan, Z., Molecularly Imprinted Porous Aromatic Frameworks and Their Composite Components for Selective Extraction of Uranium Ions. Adv. Mater.201830, 1706507.

15     Gao, X.; Zou, X.; Ma, H.; Meng, S.; Zhu, G., Highly Selective and Permeable Porous Organic Framework Membrane for CO2 Capture. Adv. Mater. 201426, 3644-3648.

16     Yuan, Y.; Sun, F.; Li, L.; Cui, P.; Zhu, G., Porous aromatic frameworks with anion-templated pore apertures serving as polymeric sieves. Nat. Commun.20145, 4260.