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ChemCatChem:铝卟啉基超交联离子聚合物实现CO2捕集和原位转化为环状碳酸酯2023-03-14
广东工业大学轻工化工学院罗荣昌课题组在前期大量工作基础上(ChemSusChem 2020, 13, 3945; J. Mater. Chem. A 2021, 9, 25731; ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 10.1021/acsami.2c18283),采用直接编织策略, 以低成本金属卟啉和功能化离子液体为原料,构建了一系列铝卟啉基超交联离子聚合物(Al-HIPs),在温和条件下实现了同时捕集和转化CO2为环状碳酸酯。

 

 

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CO2 捕集及利用技术是实现国家“双碳”战略目标的重要手段之一。“变废为宝”策略可助力企业提质增效。由CO2与环氧化物通过环加成反应制备环状碳酸酯是CO2化学利用的重要途径。在CO2环加成催化剂开发领域,超交联聚合物(HCPs)作为新兴的多相催化平台受到科研工作者的广泛关注因其具有高的比表面积、低廉的合成成本、化学稳定性高以及易于工业化生产等特点。基于环氧化物双重活化模型的双功能催化剂设计策略和仿生催化活化CO2基本观念,将金属卟啉和离子基团等高活性催化位点通过共价键联的方式固定在多孔基质中,设计与合成金属卟啉基超交联离子聚合物(HIPs)被认为是相当有前景的,有望实现比均相催化剂具有更高的催化性能,成为沟通均相催化与多相催化的桥梁。这是因为催化材料中Lewis酸金属中心与亲核卤素阴离子之间的协同催化作用可以有效地促进环氧化物的开环,实现在温和条件下CO2分子的活化,从而在不添加任何助剂条件下制备环状碳酸酯。然而,由于离子液体功能化的缺电芳香环导致傅克反应难以发生,需要引入大量的亲电性共聚单体,而带电基团之间的静电相互作用往往会导致离子单体的反应活性较差或引起高度不规则的堆叠结构。

为实现这一目标,罗荣昌课题组通过增加离子单体的连接节点数,引入四苯基甲烷结构模块以调节聚合过程中单体之间的竞聚率,从而赋予催化材料高密度的离子活性位点。因此,控制铝中心与卤素阴离子的摩尔比可获得具有较高的催化性能的双功能CO2环加成催化剂。Al-HIP-2具有柔性离子垂坠和高Al/Cl比允许CO2环加成在常温常压下或用稀释的CO2进行;而Al-HIP-3具有刚性离子组件和较低Al/Cl比却展现出高的比表面积(up to 432 cm2·g−1)和更强的CO2捕获能力(up to 2.11 mmol·g−1)。在无需加入任何溶剂和助催化剂的条件下,当使用0.01 mol%Al-HIP-2,120℃,10 bar时获得了超高的TOF值(up to 3700 h−1)。

文信息

Construction of Aluminum-Porphyrin-Based Hypercrosslinked Ionic Polymers (HIPs) by Direct Knitting Approach for CO2 Capture and In-Situ Conversion to Cyclic Carbonates

Wei Xu, Min Chen, Yiying Yang, Kechi Chen, Yingyin Li, Zixuan Zhang, Prof. Rongchang Luo

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202201441