【POF气体吸附】：热稳定、高比表面积的三苯乙烯和菲咯啉基微孔聚合物在CH4和N2上选择性捕获CO2

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摘要：
King Fahd University of Petroleum & Minerals法赫德国王石油与矿业大学Mohd Yusuf Khan等报道的本篇文章（ACS Appl. Polym. Mater. 2024）中设计合成并表征了一种基于三蝶烯和菲啰啉的微孔聚合物TPPM。通过简单的一步Friedel-Crafts交联聚合反应合成了该聚合物。TPPM具有优异的热稳定性(Td>380°C)，较大的BET比表面积(1120 m2/g)和丰富的微孔，这使其成为一种有前景的二氧化碳捕获吸附剂。形貌表征显示聚合物形成直径在0.5-1μm的微球。TPPM对CO2具有很强的亲和力，在273K和298K下CO2吸附量分别达到2.76 mmol/g和1.85 mmol/g，微孔体积在CO2吸附中起重要作用。TPPM的CO2吸附量优于文献报道的多种多孔聚合物。此外，TPPM表现出对CO2相对于CH4和N2的良好选择性吸附能力，表明其在CO2吸附分离领域具有良好的应用前景。

研究背景：
(1) 大气中不断增加的CO2被认为是全球变暖及其有害后果的主要原因之一。工业上通常采用胺类溶剂化学吸收法捕获CO2，但该方法存在腐蚀、再生能耗高等缺点。
(2) 多孔固体吸附剂物理吸附CO2是一种可行有效的替代方案。已有研究探索了多种固体多孔吸附剂如沸石、多孔碳、MOF等用于CO2捕获。
(3) 本文作者提出设计合成兼具微孔性和极性基团的高效多孔聚合物用于CO2捕获。采用刚性三维三蝶烯基元和菲啰啉基元构筑扭曲的刚性聚合物骨架，引入丰富的微孔和超微孔，获得高比表面积和物理化学稳定性，简化合成方法，制备出性能优异的CO2吸附材料。

实验部分：
(1) 以三蝶烯和2,9-二氯-1,10-菲啰啉为单体，三氯化铝为催化剂，在氮气保护下于二氯甲烷中回流24h，经纯化、索氏提取和真空干燥，制得目标聚合物TPPM。
(2) 采用红外光谱、固体核磁、X射线光电子能谱、扫描电镜、X射线衍射、热重等手段对TPPM进行结构和形貌表征。氮气吸脱附等温线测定其孔结构参数。
(3) TPPM具有优异的热稳定性(Td=382°C)，高的BET比表面积(1120 m2/g)，丰富的微孔(孔径主要分布在0.95nm)。形貌为直径0.5-1μm的微球。实验结果表明TPPM具备作为CO2吸附剂的理想结构特征。

分析测试：
(1) CO2吸附测试表明，TPPM在273K和298K、1bar条件下对CO2的吸附量分别达2.76 mmol/g和1.85 mmol/g，优于多数文献报道的多孔聚合物。等量吸附热为23 kJ/mol，表明TPPM主要通过物理吸附机制捕获CO2。
(2) 在273K和298K下，TPPM对CO2/N2的选择性分别为27.8和20，对CO2/CH4的选择性分别为5.8和3.8，表现出良好的CO2选择性吸附能力，有望用于燃烧后CO2/N2分离和天然气CO2/CH4分离。
(3) 循环性能测试显示，TPPM经6次吸附-脱附循环后CO2吸附量没有明显下降，表明其具有良好的循环再生性能。

总结：
(1) 本文采用刚性三维三蝶烯和菲啰啉基元，通过简便的一步法合成了一种新型微孔聚合物TPPM。
(2) TPPM兼具高比表面积、丰富微孔、优异热稳定性等特点，表现出优异的CO2吸附性能和选择性，在273K下CO2吸附量高达2.76 mmol/g，对CO2/N2和CO2/CH4具有良好的选择吸附能力。
(3) 考虑到TPPM优异的结构特性和CO2捕获性能，本研究进一步鼓励人们继续探索合成含菲啰啉的多孔聚合物，通过引入其他刚性芳香基元，进一步提升吸附剂性能，拓展其在环境治理等领域的应用。

展望：
(1) 本文主要考察了TPPM的CO2吸附性能，建议未来可进一步评估其对其他气体如SO2、H2S等的吸附性能。
(2) 本文主要从实验角度评估了TPPM的吸附性能，建议后续可采用分子模拟等理论计算方法，深入研究TPPM与CO2相互作用的机理。
(3) 建议后续研究中，在保持聚合物骨架基本结构的基础上，引入更多含N、O等极性基团，进一步提高材料的CO2吸附量和选择性。
(4) 为拓展实际应用，建议后续研究中制备TPPM基复合材料，如与金属氧化物复合，进一步提升CO2吸附性能。
(5) 建议评估TPPM的成本和环境相容性，探索其规模化制备工艺，为实际应用奠定基础。

Thermally Stable and High-Surface-Area Triptycene and Phenanthroline-Based Microporous Polymer for Selective CO2 Capture over CH4 and N2
文章作者：Mosim Ansari, Amirun Nissa Rehman, Abuzar Khan, and Mohd Yusuf Khan*
DOI：10.1021/acsapm.4c00029
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.4c00029

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