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北理工课题组在含硼石墨炔类二维材料的构筑和应用方面取得进展

供稿、供图:化学与化工学院  编辑:田柳


近日,澳门足彩app博士生赵丰贵第一作者身份在国际顶级期刊《澳门足彩app》发表题目为“Precise Preparation of Triarylboron-Based Graphdiyne Analogues for Gas Separation”的研究论文(DOI: 10.1002/anie.202317294)。澳门足彩app为论文第一通讯单位,澳门足彩app尹晓东特别研究员为通讯作者。

化学工业中的分离过程,包括天然气净化以及氧气和氮气生产这类气体分离过程,是能耗和碳排放大户,据统计其消耗的能源占世界能源总消耗的约15%。与蒸馏、吸附等传统分离方法相比,膜法分离更具节能优势。因此,具有气体选择性分离的新型膜材料的开发就成了人们的关注热点。

石墨炔(GDY)是继金刚石、富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后的一种新型二维碳族材料,同时具有sp和sp2杂化碳原子的独特构型。石墨炔具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、多孔、优良的化学和热稳定性,有望成为新型的分离膜材料。近日,澳门足彩app尹晓东特别研究员等人,基于三芳基硼单体构筑了一系列具有类石墨炔结构的二维材料,系统研究了其含硼单体结构,二维材料孔径大小,以及堆积结构之间的关系,并初步探索了其在气体分离领域的应用潜力。

由于硼原子的2s22p1价电子结构,中性硼化合物(如BF3)经常采用平面的sp2杂化构型,有利于形成平面二维骨架。其中,三芳基硼(TAB)由于芳基的动力学保护,具有良好的化学稳定性,因此,TAB是构建新型平面二维材料的优良构筑单元。

本文采用“自下而上”的方法,在铜箔表面通过炔-炔偶联反应,制备了具有可调孔径的基于TAB的类石墨炔二维结构(TAB-GDY)。通过机械超声法制备得到约4 nm的超薄TAB-GDY膜,选区电子衍射(SAED)呈现明显的六边形对称模式,证明了TAB-GDY薄膜的结晶性。结合实验的SAED、DFT计算的晶胞参数、堆积结构建立和SAED模拟,确定了TAB-GDY层间采用了多重堆积的方式。

气体吸-脱附实验表明TAB-GDY具有较大比表面积和丰富的微孔结构,另外,由于TAB基团的缺电子性和乙炔键的富电子性,TAB-GDY在二元气体中表现出一定的IAST选择性。其中,DPCEDMTAB-GDY对CO2/N2和CO2/H2的选择性最大,分别为21.8和41.9,其次为TMTAB-GDY、CEDMTAB-GDY和DMTAB-GDY。此外,四种TAB-GDY对CO2/CH4(3.1-5.3)和C2H2/CO2(1.8-2.3)的选择性相似。

本工作结合了石墨炔和三芳基硼的优点,开发了一系列结构清晰、稳定性好的含硼二维骨架,其孔径可调为今后在气体分离领域的应用奠定了基础,进一步丰富了石墨炔类材料家族的结构多样性和应用领域。

上述工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。同时感谢澳门足彩app分析测试中心在相关测试方面的支持。

原文链接:http://doi.org/10.1002/anie.202317294


通信作者简介:

尹晓东,澳门足彩app特别研究员,博士生导师。2011年毕业于中国科学院化学研究所,获得有机化学博士学位,师从李玉良院士。之后分别在美国罗格斯大学,南卡罗莱纳大学,哥伦比亚大学担任博士后研究员。2018年9月入职澳门足彩app化学化工学院,主要研究方向为有机硼功能材料的开发及应用。目前已在包括Nat. Chem., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. 等国际知名期刊上发表SCI论文70篇。

课题组主页:http://www.x-mol.com/groups/boronbit

(审核:王振华)