共价有机骨架膜的设计与气体分离研究开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

1.前言

金属有机骨架材料（MOFs）是近十年来发展迅速的一种配位聚合物，具有三维的孔结构，一般以金属离子为连接点，有机配体位支撑构成空间3D延伸，系沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料。MOFs可以在温和的条件下合成，并能通过后修饰改变多孔材料的物理和化学性质。因此，通过合理选择构筑单元可以合成出理想的手性MOFs。迄今，已经合成了大量手性MOFs，并成功应用于手性分离和不对称催化等领域。目前，大多数研究人员致力于氢气储存的实验和理论研究。金属阳离子在MOFs骨架中的作用一方面是作为结点提供骨架的中枢，另一方面是在中枢中形成分支，从而增强MOFs的物理性质(如多孔性和手性)。这类材料的比表面积远大于相似孔道的分子筛，而且能够在去除孔道中的溶剂分子后仍然保持骨架的完整性。因此，MOFs具有许多潜在的特殊性能，在新型功能材料，如选择性催化、分子识别、可逆性主客体分子(离子)交换、超高纯度分离、生物传导材料、光电材料、磁性材料和芯片等新材料开发中显示出诱人的应用前景，给多孔材料科学带来了新的曙光。然而，本课题是要研究比MOFs更薄的COFs,虽然它们都属于有机骨架材料，但是有些方面，COFs优点更为突出。为了保持骨架的基本形状和空间拓扑结构，这里所述共价骨架材料COFs主要指超高度交联（Hyper-Cross-Linked)有机聚合物，它们一般具有2D或3D无限刚性交联网络结构，因而在物理、化学性质以及凝聚态结构上与常规聚合物有着很大的区别。随着近几年来本征微孔聚合物的提出，共价骨架材料成为多孔材料领域新的焦点[1]。

①共价有机材料

共价有机骨架聚合物（COFs）[2]是一类结晶微孔聚合物，也是一类新型的有机多孔高分子材料，其构筑单元是以共价键在三维或二维方向连接形成，与配位和自组装得到的多孔骨架材料相比，共价高分子骨架的稳定性[3-4]、反应的可靠性和重复性均获得大大提高。而且，因有机构筑单元和合成反应丰富多样性，特别适合于设计稳定的功能化多孔骨架材料。具有优异的孔性质、高的热及化学稳定性和大的比表面积，在气体储存、催化、光电材料等诸多领域中有重要的应用前景[5-7]。

②二维有机膜的设计

二维高分子[8]是高分子合成与结构设计的新机遇，自下而上合成化学方法从单体出发，利用原子级平整的单晶表面为载体，以表面化学反应来实现合成。除此之外，通过合理的分子设计，可以在溶液相或液气界面合成。在垂直维度上只有一个或几个原子层厚度的二维高分子和其他二维材料往往表现与本体材料不同的物理化学特性。

③COFs材料的性质和结构

作为一类新型的储氢材料，COFs具有很多的优点：①多孔、表面积大，相关文献中报道的多数COFs的表面积超过1000m2/g，COF-102和COF-103的比表面积更达到了3472m2/g和4210m2/g，能够与MOFs相媲美；②密度低，COFs结构中不含金属元素，因此其晶体密度较MOFs低得多，COFs-108的密度为0.17g/cm3，是目前报道中晶体密度最低的；③结构的可调控性，与MOFs和多数多孔材料一样，可以通过变换母体来控制其晶体结构；④气体吸附机理多为物理吸附，特别是低压区，可以在室温、安全压力下快速可逆地吸放氢气；⑤很高的热稳定性，多数COFs对热的稳定性超过了500℃。

COFs一般都是以共价键（C-C和B-O等）构建，经可逆聚合[9-10]、热力学控制下形成的一类具有有序孔结构的晶态材料，具有高的比表面积、非常低的密度、高的热稳定性及高度有序性。然而受限于其可逆反应的连接方法，COFs的合成相对困难，反应系统溶剂的选择和负压封闭系统的运用对于可逆缩合的形成过程起着至关重要的作用。

④气体分离

与其他含有金属位点膜的MOFs材料和沸石相比,COFs膜[11-14]表现出了优秀的渗透选择性和渗透性。尤其是对于COF-105和COF-108,其渗透性分别达到了1.15x106和1.00x106Barrer,几乎高于所有的MOFs和沸石材料。这表明COFs膜[15]在膜分离中具有很大的潜在应用价值。

参考文献

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