我院崔希利Angew: 精準(zhǔn)調(diào)控離子超微孔聚合物實(shí)現(xiàn)痕量二氧化硫深度脫除
工業(yè)化的不斷推進(jìn)帶來國民經(jīng)濟(jì)的提升，但大量污染物的排放卻使環(huán)境問題日益嚴(yán)重。二氧化硫（SO2）是主要污染物之一，會(huì)在大氣層形成酸雨而危害生態(tài)系統(tǒng)。此外，在較多催化反應(yīng)中，痕量的SO2也會(huì)致使催化劑中毒且難以再生。因此，痕量SO2的深度脫除對(duì)環(huán)境和工業(yè)均具有重要意義，也是制備高純化學(xué)品的關(guān)鍵步驟。吸附分離技術(shù)是一種較為綠色節(jié)能的分離方法，其關(guān)鍵在于高效分離材料的設(shè)計(jì)及調(diào)控。然而由于SO2具有強(qiáng)腐蝕性，較多吸附材料的應(yīng)用受到限制。多孔聚合物具有高穩(wěn)定性的突出優(yōu)點(diǎn)，有利于工業(yè)應(yīng)用。
近期，我院崔希利研究員所在團(tuán)隊(duì)在痕量二氧化硫的深度脫除取得重要進(jìn)展，采用共價(jià)和離子雙交聯(lián)策略，制備了具有高離子密度和窄孔徑分布的離子超微孔聚合物（IUPs，如圖1），通過調(diào)節(jié)超支化兩親性離子液體單體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)IUPs孔徑及孔道表面化學(xué)的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了痕量SO2的高容量和高選擇性捕獲。
圖 1. 超支化離子液體 Ph-4MVIm-Br的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及孔徑分布圖。圖源：Angew. Chem. Int. Ed.
精準(zhǔn)調(diào)控的IUPs實(shí)現(xiàn)了對(duì)CH4和N2的排阻，減少了對(duì)CO2的共吸附。SO2與IUPs之間的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致IUPs溶脹，有助于提高SO2吸收能力和分離選擇性。以基于四支鏈化離子液體制備得到的P(Ph-4MVIm-Br)為代表，其在極低的SO2分壓（0.002 bar和298 K）下獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的SO2/CO2選擇性（>5000）和良好的SO2吸附容量（1.55 mmol g-1），如圖2。
圖 2.不同氣體在298 K 吸附等溫線以及不同材料在0.002 bar下SO2吸附量對(duì)比圖。圖源：Angew. Chem. Int. Ed.
為了研究IUPs在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)際的分離效率，研究人員模擬了實(shí)際的工業(yè)流程，通過固定床穿透實(shí)驗(yàn)初步評(píng)價(jià)其實(shí)用效果，IUPs表現(xiàn)出明顯優(yōu)于其他材料的動(dòng)態(tài)分離性能，經(jīng)歷 6次穿透和再生，SO2動(dòng)態(tài)吸附容量基本保持不變。歷經(jīng) 25 次循環(huán)再生P(Ph-4MVIm-Br)在 298 K 和 1 bar 下對(duì) SO2的吸附幾乎沒有明顯降低。此外，未處理和在空氣中暴露半年、373 K 下在水中浸泡一個(gè)月的 P(Ph-4MVIm-Br) 在 298 K 和不同 SO2分壓下的 SO2吸附量基本一致，如圖3。高水熱穩(wěn)定性和優(yōu)秀的循環(huán)使用性能，使IUPs成為實(shí)際脫硫工藝的潛在材料。DFT 理論模擬計(jì)算也表明SO2分子通過靜電相互作用（SO2：O-S···Br ；CO2：O-C···Br）比CO2更強(qiáng)地與弱堿性陰離子位點(diǎn)（Br-）結(jié)合，封閉良好的微空間內(nèi)的靜電環(huán)境有助于高選擇性捕獲SO2。
這一成果近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition?(DOI: 10.1002/anie.202013448)上，文章的第一作者是浙江大學(xué)的鎖顯博士。
文章信息：Xian Suo, Ying Yu, Siheng Qian, Lin Zhou, Xili Cui*, and Huabin Xing, Tailoring the pore size and chemistry of ionic ultramicroporous polymers for trace sulfur dioxide capture with high capacity and selectivity, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202013448
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