用于高效吸附碘和捕获二氧化碳的发光噻唑并[5,4-d]噻唑修饰共价有机聚合物的合理设计

《ACS Applied Polymer Materials》：Rational Design of Luminescent Thiazolo[5,4-d]thiazole Decorated Covalent Organic Polymer (COP) for Efficient Iodine Sorption and CO2 Capture

　　

摘要

像¹²⁹I和¹³¹I这样的易挥发且高溶解度的同位素会带来严重的环境和生物危害，因此需要能够在恶劣条件下稳定高效地捕获这些物质的吸附材料。共价有机聚合物（COPs）凭借其坚固的共价结构、可调控的孔隙率以及富含杂原子的结构，为碘的捕获提供了理想的平台。在本研究中，我们展示了两种基于噻唑[5,4-d]噻唑（TzTz）的共轭有机聚合物——MD-COP-01和MD-COP-02，它们是通过咔唑类和咪唑[1,2-a]吡啶类单体经氧化聚合反应制得的。通过将电子缺乏的TzTz受体与电子含量适中的供体单元，尤其是咪唑[1,2-a]吡啶结合在一起，可以形成既具有发光特性又对碘有强亲和力的刚性供体-受体结构。MD-COP-01和MD-COP-02的比表面积分别达到27和399?m²?g^–1，其中MD-COP-01对碘的吸附能力尤为突出，在气态条件下吸附量可达275?wt%，在溶液中的吸附量为331?mg?g^–1，且去除效率超过90%。通过密度泛函理论、拉曼光谱、XPS以及EDX元素分析，我们发现电荷转移相互作用是MD-COP-01能够高效吸附碘的主要原因，这也凸显了富含硫/氮的结合位点的重要性。此外，我们还展示了基于MD-COP-01的连续碘分离原型，该原型具有出色的动态吸附性能，有望用于连续捕获碘并净化水。同时，MD-COP-01在273 K时的二氧化碳吸附量为1.53 mmol g^–1，在298 K时为1.12 mmol g^–1；而MD-COP-02在相同温度下的吸附量分别为1.58 mmol g^–1和1.00 mmol g^–1。总体而言，这些研究结果拓展了基于TzTz的多孔结构的应用范围，证明了这类材料作为高效、可调控的吸附剂，在处理核废料中的碘以及进行环境修复方面的巨大潜力。