【PI-POF材料】高性价比多孔聚酰亚胺的合成及其储气性能

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摘要：
华中科技大学谭必恩老师等报道的本篇文章（Chem. Commun., 2011,47, 7704-7706）中报道了一种通过平面结构单体合成的具有高比表面积（高达660 m²/g）的多孔聚酰亚胺（PI）网络。这些多孔聚合物在结构修改、轻质、高热稳定性方面具有灵活性，并且有多种潜在应用，如异质催化、光电子、膜分离和气体储存。本研究中，作者使用工业化学品三聚氰胺和各种商用芳香族二酐进行缩合反应，无需使用有毒催化剂，合成了具有高比表面积的多孔聚酰亚胺。这些聚酰亚胺在77 K和1.13 bar条件下的氢气吸附量为0.66 wt%，二氧化碳吸附量为7.3 wt%。

研究背景：
1) 多孔聚合物因其高内部表面积和合成多样性而受到广泛关注，但现有的多孔聚酰亚胺合成过程中常使用有毒溶剂和催化剂，限制了其在工业上的广泛应用。
2) 其他学者通过使用高度扭曲的单体或四面体基单体来合成多孔聚酰亚胺，但这些方法成本较高，且可能涉及有毒物质的使用。
3) 本文作者提出了一种基于工业化学品三聚氰胺和商用芳香族二酐的缩合反应来合成多孔聚酰亚胺的方法，无需使用有毒催化剂，降低了材料的成本和毒性，提高了其工业应用的潜力。

实验部分：
1. 多孔聚酰亚胺的合成：
   - 实验步骤：
     - 将三聚氰胺（10 mmol）和二酐单体（15 mmol）混合在二甲基亚砜（DMSO, 30 mL）中。
     - 在180°C下加热72小时，在惰性条件下进行反应。
     - 反应后，沉淀的固体用丙酮、四氢呋喃和甲烷氯化物依次洗涤。
     - 得到的聚酰亚胺网络以37-65%的产率分离出来。
   - 实验结果：合成了三种不同的多孔聚酰亚胺（PI1、PI2和PI3），其中PI1的比表面积最高，达到660平方米/克。
2. 气体吸附测试：
   - 实验步骤：
     - 使用体积测量方法在77 K和1.13 bar条件下测试氢气吸附。
     - 在273 K和1.13 bar条件下测试二氧化碳吸附。
   - 实验结果：PI1在77 K和1.13 bar条件下的氢气吸附量为0.66 wt%（体积容量=3.35 g/L），二氧化碳吸附量为7.3 wt%（体积容量=37.1 g/L）。

分析测试：
1. FTIR光谱分析：
   - 测试结果：证实了三聚氰胺成功地融入到聚合物材料中，形成了亚胺键。
2. 13C CP/MAS NMR光谱分析：
   - 测试结果：显示了三聚氰胺的碳原子和亚胺键的碳原子的信号，确认了聚酰亚胺的结构。
3. 热重分析（TGA）：
   - 测试结果：PI1在400°C以上才开始迅速失重，显示出优异的热稳定性。
4. 粉末X射线衍射（PXRD）分析：
   - 测试结果：所有聚合物都是非晶态，没有显示出明显的衍射峰。
5. 氮气吸附-脱附等温线分析：
   - 测试结果：PI1和PI2表现出IV型等温线和H2型滞后回线，表明具有介孔结构。PI3表现出不同的等温线形状，表明存在介孔/大孔结构。
6. 孔径分布分析（NLDFT）：
   - 测试结果：所有聚合物网络都有相对宽的孔径分布，PI1和PI2在2-10 nm范围内有明显峰值，而PI3在10-100 nm范围内有峰值。
7. 氢气和二氧化碳吸附测试：
   - 测试结果：PI1在77 K和1.13 bar条件下的氢气吸附量为0.66 wt%，二氧化碳吸附量为7.3 wt%。

总结：
本文成功合成了一系列具有高比表面积的多孔聚酰亚胺，这些聚酰亚胺通过三聚氰胺和商用芳香族二酐的缩合反应制备，无需使用有毒催化剂。这些材料在气体储存方面表现出优异的性能，特别是PI1在氢气和二氧化碳吸附方面的表现。这些聚酰亚胺的高热稳定性和良好的化学抗性使它们成为潜在的材料科学应用的候选材料。

展望：
本文的研究成果为多孔聚酰亚胺的合成提供了一种低成本、无毒性的方法，拓宽了其在工业应用中的潜力。未来的研究可以集中在进一步优化聚酰亚胺的结构和性能，探索其在其他潜在应用中的使用，如二氧化碳捕获和分离。此外，研究者可以探索这些材料在实际工业环境中的长期稳定性和可重复性，以及它们在大规模生产中的可行性。

Synthesis of cost-effective porous polyimides and their gas storage propertiesw
文章作者：Yali Luo, Buyi Li, Liyun Liang and Bien Tan*
DOI: 10.1039/c1cc11466b
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cc/c1cc11466b