北理工課題組在含硼石墨炔類二維材料的構筑和應用方面取得進展
發布日期：2023-12-15 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數：
近日，北京理工大學化學與化工學院博士生趙豐貴第一作者身份在國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》發表題目為“Precise Preparation of Triarylboron-Based Graphdiyne Analogues for Gas Separation”的研究論文（DOI: 10.1002/anie.202317294）。北京理工大學為論文第一通訊單位，北京理工大學化學與化工學院尹曉東特別研究員為通訊作者。
化學工業中的分離過程，包括天然氣凈化以及氧氣和氮氣生產這類氣體分離過程，是能耗和碳排放大戶，據統計其消耗的能源占世界能源總消耗的約15%。與蒸餾、吸附等傳統分離方法相比，膜法分離更具節能優勢。因此，具有氣體選擇性分離的新型膜材料的開發就成了人們的關注熱點。
石墨炔（GDY）是繼金剛石、富勒烯、碳納米管和石墨烯之后的一種新型二維碳族材料，同時具有sp和sp2雜化碳原子的獨特構型。石墨炔具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、多孔、優良的化學和熱穩定性，有望成為新型的分離膜材料。近日，北京理工大學化學與化工學院尹曉東特別研究員等人，基于三芳基硼單體構筑了一系列具有類石墨炔結構的二維材料，系統研究了其含硼單體結構，二維材料孔徑大小，以及堆積結構之間的關系，并初步探索了其在氣體分離領域的應用潛力。
由于硼原子的2s22p1價電子結構，中性硼化合物（如BF3）經常采用平面的sp2雜化構型，有利于形成平面二維骨架。其中，三芳基硼（TAB）由于芳基的動力學保護，具有良好的化學穩定性，因此，TAB是構建新型平面二維材料的優良構筑單元。
本文采用“自下而上”的方法，在銅箔表面通過炔-炔偶聯反應，制備了具有可調孔徑的基于TAB的類石墨炔二維結構（TAB-GDY）。通過機械超聲法制備得到約4 nm的超薄TAB-GDY膜，選區電子衍射（SAED）呈現明顯的六邊形對稱模式，證明了TAB-GDY薄膜的結晶性。結合實驗的SAED、DFT計算的晶胞參數、堆積結構建立和SAED模擬，確定了TAB-GDY層間采用了多重堆積的方式。
氣體吸-脫附實驗表明TAB-GDY具有較大比表面積和豐富的微孔結構，另外，由于TAB基團的缺電子性和乙炔鍵的富電子性，TAB-GDY在二元氣體中表現出一定的IAST選擇性。其中，DPCEDMTAB-GDY對CO2/N2和CO2/H2的選擇性最大，分別為21.8和41.9，其次為TMTAB-GDY、CEDMTAB-GDY和DMTAB-GDY。此外，四種TAB-GDY對CO2/CH4（3.1-5.3）和C2H2/CO2（1.8-2.3）的選擇性相似。
本工作結合了石墨炔和三芳基硼的優點，開發了一系列結構清晰、穩定性好的含硼二維骨架，其孔徑可調為今后在氣體分離領域的應用奠定了基礎，進一步豐富了石墨炔類材料家族的結構多樣性和應用領域。
上述工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。同時感謝北京理工大學分析測試中心在相關測試方面的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202317294
附作者簡介：
尹曉東，北京理工大學化學與化工學院特別研究員，博士生導師。2011年畢業于中國科學院化學研究所，獲得有機化學博士學位，師從李玉良院士。之后分別在美國羅格斯大學，南卡羅萊納大學，哥倫比亞大學擔任博士后研究員。2018年9月入職北京理工大學化學化工學院，主要研究方向為有機硼功能材料的開發及應用。目前已在包括Nat. Chem., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. 等國際知名期刊上發表SCI論文70篇。
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