安庆师大张传磊团队:调控 COF 中 Zr 微环境低压制备超高分子量聚乙烯

文摘   2024-09-26 10:58   北京  

研究背景

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种分子量大于 100 万、具有优良性能的高分子材料,在国防军工、航空航天、市政、医疗、新能源领域具有强劲应用需求。相关产品依托国家“双碳战略”及“十四五”规划等政策,近年来消费持续增加。然而,我国在高端锂电池隔膜、高强度纤维、异型材领域等高性能 UHMWPE 树脂方面进口依存度高。
近日,安庆师范大学张传磊和上海化工研究院李永清、华东理工大学刘振合作开发了一种基于共价有机框架(Covalent Organic Framework, COF)的锆单位点多相催化剂,利用COF的高定向一维通道实现了UHMWPE的高效制备,活性达 6.03 × 104 gPE·molZr−1·h−1,重均分子量达 Mw = 1.71 × 106 g·mol-1。通过在锆位点周边构建丰富的氢键微环境,实现了 UHMWPE 低压制备(5 bar)。采用分子动力学模拟(MD)和密度泛函理论计算(DFT)相结合的方法在原子水平上展示了Zr(IV)位点周边乙烯富集、链生长、链终止过程。

  • 图 1. 乙烯聚合 COF 中不同 Zr 微环境的设计与构建

文章简介

该工作精确构筑了金属化 COF 多相催化剂 Zr-TtDa 并成功应用于乙烯聚合研究,通过金属锆位点的微环境调控,实现了低压下乙烯的高效聚合。从原子层面解析乙烯富集机理和聚合过程,结合聚乙烯结构表征和形貌特征,证实了聚合初期COF高定向一维通道的限域催化作用。然而,较宽的分子量分布(5~7)和较低的熔点(118-120℃)可能预示着聚合后期不同的聚合机理,聚乙烯不断在COF内生长聚集,逐渐撑破一维通道,催化剂破裂,限域催化过渡到表面催化。这一研究成果为乙烯聚合的限域催化提供了实验和理论基础,也为框架材料在大宗工业品的生产应用领域提供了新的选择和途径。

  • 图 2. Zr-TtDa 和 Zr-TbDa 在 5 bar 压力下聚合乙烯制备超高分子量聚乙烯

该成果以“Microenvironment Modulation of Zr Sites in Covalent Organic Frameworks for Low-Pressure Preparation of UHMWPE”(《共价有机框架中Zr位点的微环境调控用于低压制备超高分子量聚乙烯》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上,并入选为 Hot Article

论文信息

  • Microenvironment Modulation of Zr Sites in Covalent Organic Frameworks for Low-Pressure Preparation of UHMWPE

    Hao-Tian Li‡, Tao Zhou‡, Yu-Qing Peng‡, Xiao-Ke Shi‡, Zhi-Hao Zhua, Ye-Bin Guana, Yong-Qing Li* (李永清,上海化工研究院) , Zhen Liu* (刘振,华东理工大学) and Chuan-Lei Zhang* (张传磊,安庆师范大学)

    J. Mater. Chem. A, 2024, Advance Article
    https://doi.org/10.1039/D4TA04931D

作者简介

李浩天 硕士研究生
安庆师范大学

安庆师范大学化学化工学院硕士研究生,研究方向为金属化共价有机框架(MCOF)用于制备UHMWPE及其聚合机理的探究。







张传磊 副教授
安庆师范大学

副教授,从事刺激响应型框架材料的设计、合成及其光/电催化、烯烃聚合性能研究。主持国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、安徽省教育厅项目、博士后面上项目等纵向课题8项,对接企业课题4项。近年来,在Small, Journal of Materials Chemistry A, Inorganic Chemistry Frontiers, Inorganic Chemistry等国际知名期刊上发表学术论文39篇,获安徽省“教坛新秀”荣誉称号和校“天柱学者”人才称号。






李永清 高级工程师
上海化工研究院

上海化工研究院高级工程师,从事烯烃聚合和高性能聚烯烃材料研究开发。主持和参与各类科研攻关课题18项,申请国内外发明专利22项(授权12项),在Small、Journal of Materials Chemistry、Tetrahedron Letters、New Journal of Chemistry和《有机化学》等国内外学术期刊发表论文15篇,撰写专著章节1章,获得省部级科技奖励7项和上海市青年科技启明星等荣誉称号。







刘振 副教授
华东理工大学

华东理工大学副教授,从事过渡金属催化反应研究,建立了基于分子动力学、密度泛函理论、机器学习和实验表征技术的催化剂开发方法,为解决复杂分子结构设计提供了新的途径。在ACS Catalysis、Journal of Catalysis、Separation and Purification Technology、《有机化学》和《分子催化》等SCI及中文核心期刊上发表论文150余篇,被引2500余次(H-index: 30)。主持了国家自然科学基金面上项目1项,上海市浦江人才计划A类项目1项,博士后国际合作项目1项,企业技术开发项目10余项,获得中国专利授权6项,美国专利授权3项。

期刊介绍

Materials with applications in energy & sustainability

rsc.li/materials-a

J. Mater. Chem. A

2-年影响因子*10.7
5-年影响因子*10.8
JCR 分区*Q1能源与燃料
Q1化学-物化
Q1材料-多学科
CiteScore 分19.5
中位一审周期30 


Journal of Materials Chemistry A和 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A和 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

Editor-in-Chief
  • Anders Hagfeldt
    🇸🇪 乌普萨拉大学

Scientific editors
  • Sofia Calero
    🇳🇱 埃因霍芬理工大学

  • Serena Cussen
    🇮🇪 都柏林大学学院

  • Frank Osterloh
    🇺🇸 加州大学戴维斯分校

  • Xiaowei Zhan (占肖卫)
    🇨🇳 北京大学

Associate editors

  • Veronica Augustyn
    🇺🇸 北卡罗来纳州立大学

  • Viola Birss
    🇨🇦 卡尔加里大学

  • Ghim Wei Ho (何锦韦)
    🇸🇬 新加坡国立大学

  • Yun Jeong Hwang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Kisuk Kang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Subrata Kundu
    🇮🇳 中央电化学研究所(CSIR-CECRI)

  • Dan Li (李丹)
    🇨🇳 暨南大学

  • Yi-Chun Lu (卢怡君)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

  • Jennifer Rupp
    🇩🇪 慕尼黑工业大学

  • Miriam Unterlass
    🇩🇪 康斯坦茨大学

  • Lydia Helena Wong
    🇸🇬 南洋理工大学

  • Li-Zhu Wu (吴骊珠)
    🇨🇳 中科院理化所

  • Yusuke Yamauchi
    🇦🇺 昆士兰大学

  • Zhen Zhou (周震)
    🇨🇳 南开大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
 CiteScore 2023 by Elsevier
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