Salen结合的有机聚合物可提升CO2环加成反应的催化性能以及碘的吸附性能：实验与动力学研究

《Sustainable Materials and Technologies》：Salen conjugated organic polymers to improve catalytic performance of CO 2 cycloaddition and adsorption performance of iodine: Experimental and kinetics

本研究通过Mannich反应制备了氮富集的Salen材料，具有催化CO2与环氧乙烷耦合反应及吸附碘蒸气的能力。经FT-IR、NMR、SEM、XPS表征，优化结构后PTPASalen-TCA的CO2转化率达92.6%，碘吸附容量2.4-3.3g/g，并揭示了物理吸附与化学吸附的协同作用。

　　近年来，随着工业化进程的不断推进，人类社会对多功能材料的需求日益增长。这类材料不仅要能够应对二氧化碳排放带来的环境问题，还需具备处理核废料泄漏等潜在风险的能力。因此，开发具有多种催化和吸附功能的有机聚合物成为研究的重点。本研究通过溶热法，利用带有抗衡离子的Salen功能化材料与多种胺类化合物在聚甲醛存在下进行曼尼希反应，构建了氮富集的Salen材料。这些材料不仅具备良好的催化性能，还能有效吸附碘蒸气，展现出在环境保护和资源回收方面的广阔前景。

Salen材料是一种源自邻苯二甲酸醛与二胺反应的席夫碱化合物，其独特的分子结构使其能够与过渡金属（如铬、钴、锌、锡等）形成螯合物，从而显著降低碳-碳加成反应的活化能，提高反应效率。在本研究中，Salen单体首先通过已有的合成方法制备完成，随后被金属化并氧化，形成含有不同抗衡离子（如乙酸根、三氯乙酸根、甲苯磺酸根）的Salen-Co-X系列化合物。这些化合物进一步与不同类型的胺类单体进行聚合，生成一系列具有共轭结构的有机聚合物，包括PTPASalen-OAc、PTPASalen-TCA、PTPASalen-OTs、TAPBSalen-TCA、TATASalen-TCA、TAPMSalen-TCA和TAPPSalen-TCA等。

通过一系列表征手段，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、碳-13核磁共振（13C NMR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS），研究人员详细分析了这些共轭有机聚合物的结构和形态。结果显示，这些材料具有球形的微观结构，并展现出良好的热稳定性。在催化性能方面，PTPASalen-TCA在最佳反应条件下，实现了环氧氯丙烷向环状碳酸酯的转化率达到92.6%。这一结果表明，该材料在二氧化碳与环氧烷的偶联反应中具有较高的催化效率。

在吸附性能方面，该系列材料表现出对碘蒸气的优异吸附能力。在75°C的条件下，其碘蒸气吸附容量达到了2.4至3.3 g·g?1。这一吸附能力不仅来源于材料表面的物理吸附作用，还涉及化学吸附机制。通过动力学模拟，研究人员发现物理吸附和化学吸附共同作用，使得这些材料在碘蒸气吸附方面表现出色。这表明，Salen基共轭有机聚合物在处理放射性碘蒸气方面具有实际应用价值。

与传统的液体洗涤方法相比，吸附法在处理放射性碘蒸气方面具有诸多优势。首先，吸附过程操作简便，减少了复杂的处理步骤。其次，吸附材料的维护成本较低，相较于使用强腐蚀性液体，吸附法能够有效避免对设备和环境的损害。此外，吸附法还能够实现对碘蒸气的高效回收，有助于资源的循环利用。因此，开发高效、稳定的碘蒸气吸附材料对于核能安全和环境保护具有重要意义。

在本研究中，Salen基共轭有机聚合物不仅在催化性能上表现出色，还在碘蒸气吸附方面展现出良好的效果。这种双重功能的材料设计，为解决二氧化碳排放和放射性物质处理等环境问题提供了新的思路。通过调整有机胺的结构，研究人员能够进一步优化这些材料的性能，使其在不同应用场景中发挥更大的作用。

为了实现这些材料的高效合成，研究人员采用了一种优化的溶热法。该方法能够在温和的条件下促进Salen单体与胺类单体的反应，生成具有共轭结构的聚合物。反应过程中，聚甲醛起到了关键的桥梁作用，使得不同单体之间能够形成稳定的共价键。这种合成策略不仅提高了材料的产率，还确保了其结构的均匀性和稳定性。

在实际应用中，这些材料可以用于多种环境治理场景。例如，在工业生产过程中，二氧化碳的捕获和转化是减少温室气体排放的重要手段。通过使用Salen基共轭有机聚合物，可以显著提高二氧化碳与环氧烷偶联反应的效率，从而减少二氧化碳的排放量。此外，在核能领域，这些材料可以用于吸附和去除放射性碘蒸气，提高核设施的安全性。

值得注意的是，这些材料的性能与其结构密切相关。通过改变抗衡离子的种类和胺类单体的结构，研究人员能够调控材料的催化活性和吸附能力。例如，三氯乙酸根（TCA）作为抗衡离子时，能够显著增强材料的催化性能，使其在二氧化碳捕获反应中表现出更高的转化率。而在碘蒸气吸附方面，不同的胺类单体结构会影响材料的吸附容量和选择性，从而优化其在特定环境下的应用效果。

为了进一步验证这些材料的实际应用潜力，研究人员还进行了实验测试。实验结果表明，这些材料在模拟环境中能够稳定地发挥作用，表现出良好的循环使用性能。这意味着，这些材料不仅可以在一次使用后高效地捕获二氧化碳和碘蒸气，还能够在多次循环中保持其性能，从而降低长期使用成本。

此外，这些材料的多功能性使其在多个领域具有应用价值。例如，在化学工业中，它们可以用于生产高附加值的环状碳酸酯，这些化合物具有广泛的应用前景，包括作为极性质子溶剂、聚合物前驱体、燃料添加剂以及锂离子电池的电解质。在环境保护领域，这些材料可以用于减少工业排放中的二氧化碳含量，并有效去除核设施中的放射性碘蒸气，提高环境安全性。

综上所述，Salen基共轭有机聚合物在催化和吸附功能方面展现出优异的性能，为解决环境和能源问题提供了新的解决方案。通过进一步的研究和优化，这些材料有望在实际应用中发挥更大的作用，为可持续发展做出贡献。