氮修饰多孔有机聚合物的合成及应用开题报告

1. 研究目的与意义

从古至今，材料在人们的生活与发展中都扮演着尤为重要的角色，是人类社会发展的重要的物质基础。在21世纪，材料、信息与能源被称为社会文明进步和国民经济发展的三大支柱。由此可见，材料的发展水平始终是社会文明发展与时代进步的重要标志。但近些年来，随着人口的快速增加与经济的高速发展，具有全球性影响的能源、环境问题也日益显著。尤其是工业化的迅猛发展，加速了不可再生能源的消耗，同时也伴随着大量的废气与有毒气体的排放。这种情况已经对人类赖以生存的生态环境造成了不可估量的毁灭性影响。正因为如此，多孔有机材料作为众多材料中的一种应运而生，它在气体存储、吸附、分离以及非均相催化等应用方面具有巨大的潜力。因此，合成性能优异的多功能有机多孔聚合物材料已经成为材料领域的一个重要课题，各国科学家都在不懈地奋斗，使这种优秀的材料更好地造福社会。

多孔材料是一种由相互贯通或者封闭的孔洞构成网络结构材料，孔洞的边界或者表面是由支柱或者平板构成的。在自然界中能找到许多这样的例子，如中空的竹子、六边形的蜂窝、肺部的肺泡等。在合成材料领域中，设计和构建多孔材料的结构通常是在微观或者纳米级尺寸内模拟已经在自然界发现的多孔材料。在孔材料中，根据国际纯粹与应用化学联合会的(iupac)规定^[1]：根据孔径的大小，划分为宏孔（孔径大于1 um）、大孔（孔径大于50 nm）、介孔（孔径在2-50 nm）、微孔（孔径小于2 nm）。多孔材料在比表面积和孔径设计上有着巨大的优势。因此，多孔材料可以用来作为存储和分离气体的材料，用来控制药物的释放的材料，用作多相催化剂或者作为催化剂的载体材料和作为传感器材料等。

多孔有机材料是由小的结构单元通过稳定的共价键重复连接而成，稳定性较高，且结构更易进行修饰和调控，可以实现复合功能的设计。根据多孔有机聚合物材料结构上的不同特征，可以将多孔有机聚合物材料大致分为以下几类：拥有结晶型结构的共价有机骨架聚合物材料(cofs)^[2]、共轭微孔有机聚合物材料(cmps)^[3]、超交联聚合物材料(hcps)^[4]、自聚微孔聚合物材料(pims)^[5-6]、共轭三嗪骨架聚合物材料(ctfs)^[7]、多孔芳香骨架聚合物材料(pafs)^[8]。这便以共价有机框架材料(cofs)为典型代表。具体来讲，多孔有机材料主要具有下几个优势：（1）由轻质的化学元素组成，例如c,h,o,n等，因此分子量与体积之比更低，密度较小；（2）共价键的稳定连接结构对其热力学和化学稳定性的提高具有正面的促进作用；（3）通过选择不同的构筑单元来设计材料的功能单元，通过选择不同的反应类型，来设计材料的连接方式，因此其组成和结构上更具有多样性；(4)在其多样性的基础上，从构筑初期入手，引入特定的功能化基团，可以实现某一特定功能（吸附、催化、传感等）的应用。正是因为这些优势，仅十余年，多孔有机材料的研究发展便十分迅猛，展现出强大的潜力。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：本课题拟合成一种或多种含氮配位功能基团的有机分子基块，并进行表征，然后通过分子基块之间的聚合反应探索并合成氮修饰的多孔有机聚合物材料，并对聚合物材料进行初步表征。

预期目标：通过较为简单反应合成一种或几种氮修饰的多孔有机聚合物，并进行表征，测试其在吸附重金属离子方面的能力。

3. 研究的方法与步骤

1. 将两种单体通过亲核取代反应聚合形成多孔有机聚合材料，尝试修改反应时间，反应温度，反应所需要的溶剂，碱的种类等，找到最为合适的反应条件，使产率提高。

2. 合成一种或几种含氮元素的有机分子基块，并通过改变实验条件，找到较好的反应条件，使有机分子基块的产率提高，再通过红外光谱，核磁共振等对其进行表征。

3. 将上述合成的有机分子基块和桥连单体进行聚合反应合成多孔有机聚合材料，并通过红外光谱，核磁共振等对其进行初步表征。

4. 参考文献

[1]张曼平.国际纯粹与应用化学联合会(iupac)简介[j].大学化学,1998,13(2):61-64.

[2] 张春燕, 罗建新, 李爱阳,等. 共价有机骨架聚合物(cofs)的应用研究进展[j]. 高分子通报, 2016(2):32-39.

[3] 李忠平. 共价有机骨架和共轭微孔聚合物的合成及性能研究[d]. 吉林大学, 2016.

5. 计划与进度安排

1. 2022-2022-1学期17-20周~2022-2022-2学期第1周~第2周：查阅相关文献资料，在此基础上完成开题报告。

2. 第3周~第8周（2022-3-19~4-29）：掌握基本实验操作并开始实验，开始基团多孔有机聚合物的合成，找出最优合成条件（如反应时间，反应温度，反应环境等），合成一种或多种氮功能性多孔有机聚合物材料，并对所合成的材料进行表征。
3. 第9周（2022-4-30~5-6）：总结前期实验，完成中期汇报。

4. 第10周~第14周（2022-5-7-6-10）：进一步探索功能性聚合物材料的性能（如吸附重金属离子的能力，减少环境污染）。

5. 第15周~第16周（2022-6-11~6-22）：完成毕业论文并准备答辩。