孙道峰教授课题组Angew:环戊二烯钴功能化COF实现C2H2/CO2分离

学术   2024-11-14 12:42   浙江  
▲第一作者:王小康
共同通讯作者:孙道峰,范卫东
通讯单位:中国石油大学(华东)
论文DOI:10.1002/anie.202420801(点击文末「阅读原文」,直达链接)


  


全文速览
利用网状化学策略,构建了两种新型的环戊二烯钴功能化的二维(2D)COF,分别命名为UPC-COF-1和UPC-COF-2。理论模拟结合实验结果表明,具有较短构筑单元、较窄孔径和较强主客体相互作用的UPC-COF-1表现出更好的C2H2/CO2分离性能。此外,UPC-COF-1可以在存在水蒸气和甲烷杂质的情况下保持分离稳定性。


  


背景介绍
共价有机框架(COF)是一类新兴的晶体多孔材料,由含有轻元素的有机构筑单元通过可逆共价键连接形成二维(2D)或三维(3D)的有序框架。基于网状化学的结构可设计性和易功能化使COF在多孔材料中具有巨大的竞争优势,如沸石、活性炭和金属-有机框架(MOF)。然而,将离散的有机构筑单元结合到有序的晶态多孔框架中仍然是一个巨大的挑战。因为共价键连接在赋予COF刚性的同时,也给精确解析结构带来巨大的困难。同时,目前可用于COF构建的构筑单元有限,极大限制了COF结构多样性和对其性能的探究。

近年来,COF在气体分离方面取得了巨大的进展,但对于C2H2/CO2分离的研究仍处于起步阶段,相关的报道有限。通常,有效的C2H2/CO2分离是由于不同的主-客体相互作用,例如氢键、π-π相互作用和路易斯酸碱相互作用,这可以通过对已报道的构筑单元进行修饰或在COF中从头合成新的构筑单元来实现。但在报道的孔径各异的众多2D COF中,目前只有极少数具有特定官能团(如N、O和F)的COF实现了C2H2/CO2动态穿透分离。


  


研究出发点
团队在前期工作中将环戊二烯钴基团引入到MOF中,实现了有效的气体分离(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 11350; Inorg. Chem. 2024, 63, 16605),证明了环戊二烯钴可以作为气体分子的吸附位点,促进分离性能。经过大量的文献调研,我们发现相关研究在COF中仍然是空白阶段,于是设想将环戊二烯钴基团引入到COF体系中,能否继续实现气体分离?为此,我们合成了修饰有环戊二烯钴的四醛基单体,将其与不同长度的二胺结构单元缩合,成功得到了具有C2H2/CO2动态穿透分离性能的COF。


  


图文解析
a、材料合成与表征
通过简单的溶剂热反应得到了黄色晶态的UPC-COF-1和UPC-COF-2,用XRD,SEM,TEM,BET等表征证明材料的晶态,通过理论模拟结合实验分析确定两个材料的结构组成。

Figure 1.(a) Schematic illustration of the synthesis of UPC-COF-1 and UPC-COF-2. The refined 2D structures of (b) UPC-COF-1 and (c) UPC-COF-2 with AA stacking mode.

Figure 2.The simulated, experimental, and refined PXRD patterns of (a) UPC-COF-1 and (b) UPC-COF-2. SEM images of (c) UPC-COF-1 and (d) UPC-COF-2. HRTEM images of (e) UPC-COF-1 and (f) UPC-COF-2.

b、吸附分离性能研究
Figure 3.(a) N2 adsorption-desorption isotherms and (b) pore size distribution of UPC-COF-1 and UPC-COF-2 at 77 K. Single-component adsorption-desorption isotherms of (c) UPC-COF-1 and (d) UPC-COF-2 for C2H2 and CO2 at 273 and 298 K. (e) Adsorption enthalpy of UPC-COF-1 and UPC-COF-2 for C2H2 and CO2. (f) Comparison of C2H2 uptake and IAST selectivity of equimolar C2H2/CO2 with reported C2H2-selective COFs at 298 K and 100 kPa.

在298 K,UPC-COF-1和UPC-COF-2的C2H2吸附量达到89.8和55.0 cm3/g,而CO2的吸附量仅为45.5和23.5 cm3/g。值得注意的是,C2H2的吸附量高于许多报道的C2H2选择性COF(仅次于BNOF-1)。通过计算UPC-COF-1和UPC-COF-2吸附焓,衡量COF框架对气体分子的亲和力。UPC-COF-1和UPC-COF-2的C2H2吸附焓均高于CO2,表明与C2H2的亲和力更强。同时,UPC-COF-1的吸附焓差值和分离选择性都明显高于UPC-COF-2,表明较窄的孔径有助于气体分离,动态穿透实验也进一步证实这一点。此外UPC-COF-1可以在存在水蒸气和甲烷杂质的情况下保持分离稳定性,表明其在实际工业条件下的应用潜力。

Figure 4.(a) Dynamic breakthrough curves of equimolar C2H2/CO2 binary mixture (2 mL/min) on UPC-COF-1 and UPC-COF-2 at 298 K. Cycling breakthrough tests of equimolar C2H2/CO2 binary mixture (2 mL/min) on UPC-COF-1 (b) under dry condition and (c) under humid condition (R.H. = 80%) at 298 K. (d) Cycling breakthrough tests of C2H2/CO2/CH4 ternary mixture (1/1/3, 5 mL/min) on UPC-COF-1 at 298 K. The optimal adsorption site and binding energy of (e) C2H2 and (f) CO2 in UPC-COF-1 and (g) C2H2 and (h) CO2 in UPC-COF-2. Distances are given in Å.

c、理论计算
理论计算表明,气体优先吸附位点位于环戊二烯钴基团附近,表明其与气体分子的强亲和力。在UPC-COF-1和UPC-COF-2中,通过DFT计算得到C2H2和CO2的结合能进一步证明了更短的构建单元、更窄的孔径的UPC-COF-1具有更强的主-客体相互作用,因而展现出更优的C2H2/CO2分离性能。


  


总结与展望
我们将环戊二烯钴基团引入到COF体系中,不仅为COF的构建提供了新的结构单元以扩展结构多样性,而且可以将其作为气体分子的吸附位点,调控分离性能。目前2D COF实现C2H2/CO2动态穿透分离主要凭借极少数的特定官能团(如N、O和F),环戊二烯钴的官能化修饰为增强COF中主-客体相互作用实现气体分离提供了新的选择,同时为具有模块化和可调构筑单元的同构COF的性能调控提供了指导。


  


作者介绍
孙道峰,中国石油大学(华东)材料科学与工程学院教授,博士生导师,山东省“泰山学者”特聘教授、教育部新世纪优秀人才。从事晶态多孔材料(金属-有机框架、共价有机框架、氢键有机框架、金属-有机笼)的精准设计合成及其在能源环境领域的基础及应用研究。获山东省科学技术奖、山东高等学校优秀科研成果奖、山东省青年科技奖、山东省高校科学技术奖一等奖。主持国家自然科学基金面上项目4项、山东省重大科技创新工程项目1项和中石油重大科技专项1项。以通讯作者在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.等顶级学术期刊发表SCI论文300余篇,论文被引用22000余次,连续八年(2016-2023年)入选“爱思唯尔”中国高被引学者榜单。课题组长期招收化学或材料背景博士生,诚聘博士后,欢迎化学、高分子、功能材料、纳米材料等研究背景的科研人员申请。

  


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