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MRC:聚酰亚胺共价有机骨架材料的设计与合成

创新点

 

湖北大学材料科学与工程学院蔡芳昌和马宁归纳总结了现有聚酰亚胺共价有机骨架材料在可控结构设计,合成方法和应用方面的进展,并对该材料的未来发展前景进行展望。

关键词

 

聚酰亚胺,共价有机骨架材料,合成,应用

将多孔聚合物的设计拓展到热固性工程材料方面具有深远的意义,聚酰亚胺共价有机骨架材料(PI-COF)作为共价有机骨架材料(COF)家族的一个子系列,同时兼具聚酰亚胺高稳定性,共价有机骨架材料的高比表面积,孔道可调控的优点,有望成为潜在应用的新型多孔材料。然而在早期的十几年,人们见证了大量的无定型聚酰亚胺多孔材料,其合成方法沿用了传统合成聚酰亚胺的溶液聚合的方法,使用高沸点溶剂,如甲酚和N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为反应介质参与反应过程,使用催化剂的催化作用来实现结构基元反应位点的相互连接。此外,需要用二甲苯共沸蒸馏或附加热处理来去除反应中产生的水,以提高缩合度。这类反应普遍由动力学控制,表现出反应速度快,反应过程不可逆等特征,由此决定了其具有较低的长程有序性。研究发现如果在反应中应用可逆性条件,键形成的可逆性使其在结晶过程中具有自愈性和纠错性,从而防止无序的非晶态动力学产物的形成。

湖北大学材料科学与工程学院蔡芳昌和马宁归纳总结了早期微孔无定型聚酰亚胺材料的合成方法以及应用领域,研究发现通过改变合成方法,随着可逆共价键形成,产生热力学上最稳定的晶态固体材料,即聚酰亚胺共价有机骨架材料。
文章从可控结构设计,合成方法和应用三个方面总结了PI-COFs的研究进展。首先,总结了现有PI-COFs种类。在网络化学设计原则的指导下,结构可控设计体现在可选择不同的单体构建单元调控所形成的拓扑类型、孔的大小和形状。然后分析了PI-COF的五种合成策略:溶剂热合成、溶液缩聚、高温固相加热法、界面聚合、离子热法。目前合成PI-COFs最成熟的方法是溶剂热法中的封管法,但未来的发展更倾向于绿色高效的合成方法。最后,介绍了PI-COF在吸附分离,药物输送,太阳能电化学能量存储,光催化和电催化中的应用。对于PI-COF未来的发展,以结构或功能为导向,实现目标材料的结构预测、可控合成和定向组装仍是今后的重要目标。目前,合成晶态PI-COFs的种类较少,单晶级别的尤甚。在合成方法上,PI-COFs可借鉴其他经典类型COFs,选择绿色快速制备方法也是今后的研究重点。


相关结果发表在Macromolecular Rapid Communication (DOI: 10.1002/marc.202000402)上,文章第一作者为章雅


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/marc.202000402


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