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富氮多孔有机聚合物表面酚羟基基团在增强 CO 吸收和 CO/N 选择性中的作用:实验和计算研究。

Role of Surface Phenolic-OH Groups in N-Rich Porous Organic Polymers for Enhancing the CO Uptake and CO/N Selectivity: Experimental and Computational Studies.

机构信息

Department of Organic Chemistry, Rajabazar Science College , University of Calcutta , 92 A. P. C. Road , Kolkata 700009 , India.

出版信息

ACS Appl Mater Interfaces. 2018 Jul 18;10(28):23813-23824. doi: 10.1021/acsami.8b05849. Epub 2018 Jul 10.

Abstract

Design and successful synthesis of phenolic-OH and amine-functionalized porous organic polymers as adsorbent for postcombustion CO uptake from flue gas mixtures along with high CO/N selectivity is a very demanding research area in the context of developing a suitable adsorbent to mitigate greenhouse gases. Herein, we report three triazine-based porous organic polymers TrzPOP-1, -2, and -3 through the polycondensation of two triazine rings containing tetraamine and three dialdehydes. These porous organic polymers possess high Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas of 995, 868, and 772 m g, respectively. Out of the three materials, TrzPOP-2 and TrzPOP-3 contain additional phenolic-OH groups along with triazine moiety and secondary amine linkages. At 273 K, TrzPOP-1, -2, and -3 displayed CO uptake capacities of 6.19, 7.51, and 8.54 mmol g, respectively, up to 1 bar pressure, which are considerably high among all porous polymers reported till date. Despite the lower BET surface area, TrzPOP-2 and TrzPOP-3 containing phenolic-OH groups showed higher CO uptakes. To understand the CO adsorption mechanism, we have further performed the quantum chemical studies to analyze noncovalent interactions between CO molecules and different polar functionalities present in these porous polymers. TrzPOP-1, -2, and -3 have the capability of selective CO uptake over that of N at 273 K with the selectivity of 61:1, 117:1, and 142:1 by using the initial slope comparing method, along with 108.4, 140.6, and 167.4 by using ideal adsorbed solution theory (IAST) method, respectively. On the other hand, at 298 K, the calculated CO/N selectivities in the initial slope comparing method for TrzPOP-1, -2, and -3 are 27:1, 72:1, and 96:1, whereas those using IAST method are 42.1, 75.7, and 94.5, respectively. Cost effective and scalable synthesis of these porous polymeric materials reported herein for selective CO capture has a very promising future for environmental clean-up.

摘要

设计并成功合成了酚-OH 和胺功能化的多孔有机聚合物,作为从烟道气混合物中捕获燃烧后 CO 的吸附剂,同时具有高 CO/N 选择性,这是开发合适的吸附剂以减轻温室气体排放的一个极具挑战性的研究领域。在此,我们通过缩合两个含四胺和三个二醛的三嗪环报告了三种三嗪基多孔有机聚合物 TrzPOP-1、-2 和-3。这些多孔有机聚合物具有高的 Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积,分别为 995、868 和 772 m2/g。在这三种材料中,TrzPOP-2 和 TrzPOP-3 除了三嗪部分和仲胺键外,还含有额外的酚-OH 基团。在 273 K 时,TrzPOP-1、-2 和-3 在 1 巴压力下分别显示出 6.19、7.51 和 8.54 mmol g 的 CO 吸附容量,这在迄今为止报道的所有多孔聚合物中都是相当高的。尽管 BET 比表面积较低,但含有酚-OH 基团的 TrzPOP-2 和 TrzPOP-3 显示出更高的 CO 吸附量。为了理解 CO 吸附机制,我们进一步进行了量子化学研究,以分析 CO 分子与这些多孔聚合物中不同极性官能团之间的非共价相互作用。TrzPOP-1、-2 和-3 具有在 273 K 下选择性地从 CO 中捕获 CO 而不是从 N2 中捕获的能力,使用初始斜率比较法的选择性分别为 61:1、117:1 和 142:1,而使用理想吸附溶液理论(IAST)法的选择性分别为 108.4、140.6 和 167.4。另一方面,在 298 K 下,使用初始斜率比较法计算的 CO/N 选择性分别为 TrzPOP-1、-2 和-3 的 27:1、72:1 和 96:1,而使用 IAST 法的选择性分别为 42.1、75.7 和 94.5。本文报道的这些用于选择性 CO 捕获的多孔聚合物材料的经济高效且可扩展的合成,为环境净化具有非常广阔的前景。

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