二氧化碳基阳离子聚合物的设计与合成

Carbon dioxide emissions are thought to be the cause of global warming which has become a threat to human beings. Growing attention have been paid to discovering efficient methods to transfer carbon dioxide into functional materials. This project intends to prepare polycationic polymers based on carbon dioxide with structure designable ionic liquid monomers. The objective of this project are: (1) To study the influence of the cation/anion and functional groups on the carbon dioxide absorption properties of ionic liquids. (2) To investigate the conditions of carbon dioxide polymerization process under low carbon dioxide pressure. (3) To synthesis the designed functional carbon dioxide based polycationic polymers and porous foams with acridine ionic liquids. To study the influence between the structure of acridine monomers and the photocatalytic decomposition of formaldehyde ability of polymers. During the implement of the project, we would strive to discover the theoretical foundation and basic methods to generate carbon dioxide based polycationic polymers and to broaden the application of carbon dioxide based polycationic polymers.

随着二氧化碳排放量逐年上升，全球气候变暖正在威胁着人们的生存环境。因此，如何有效地将二氧化碳转化为功能性材料成为合理解决这个问题的一个突破点。本项目利用离子液体结构的可设计性，探寻二氧化碳制备阳离子聚合物的有效方法。本项目研究旨在：(1) 系统地研究阴阳离子结构，取代基官能团对离子液体二氧化碳吸附能力的影响。(2) 利用离子液体对二氧化碳的吸附能力，尝试在低压条件下制备二氧化碳基阳离子聚合物。(3) 制备功能化二氧化碳基阳离子聚合物，如聚氨酯吖啶阳离子聚合物和多孔吖啶离子聚氨酯泡沫，并将其用于光降解甲醛。通过本项目的实施，为二氧化碳基阳离子聚合物的设计与合成提供理论基础和实验指导，并推动二氧化碳基阳离子聚合物的应用。

该项目的实施我们主要完成了以下几个方面的研究：.（1）制备了多种聚合物阳离子前体，利用高压反应釜探索二氧化碳基阳离子聚合物制备条件；对反应温度、压强、反应时间与反应比例进行筛选，研究离子液体结构对聚合反应的影响；利用核磁、红外对制备的二氧化碳阳离子聚合物进行表征，对已经合成的不同种类二氧化碳基阳离子聚合物在不同应用场景的功能化进行探索。.（2）合成了一种能在可见光照条件下高效产生ROS 的 COF 抗菌光催化剂，并结合实验表征测试及分子动力学模拟，研究吖啶基 COF 光催化抗菌效果和光催化抗菌机理。合成的聚合物半导体材料, TPDA，在太阳光照射下，能够高效产生 1O2 O2•−自由基，并进一步与细菌相作用，从而造成细菌的死亡。分子动力学模拟进一步说明，COF TPDA 与细菌膜表面的静电相互作用与疏水作用导致细菌膜的破裂，协同造成细菌的死亡。TPDA的窄带隙增强了光能的转换，产生紫外 (UV) 到可见 (VIS) 和近红外(NIR)的宽吸收光谱。TPD 的多孔结构加强了氧和ROS的传质过程。我们的结果表明，本研究合成的新型COF光敏剂TPDA能够在较短的短时间的光照时间 (10分钟)有效产生ROS，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌表现出良好的抗菌活性，并被发现能有效地保护鱼类免受皮肤感。.（3）将磺酸修饰的单体BD-(SO3H)2引入到有机聚合物框架中，设计并合成了框架中含有大量磺酸基团的全磺化二维COFs质子导体材料，TB-COF。由于悬浮在COF骨架上的-SO3H基团产生连续的质子传输路径和提供了大量可移动H+，使得TB-COF作为一种本征的质子导体，其在120 °C条件下的无水质子电导率高达1.52 × 10-4 S cm-1。在相同测试条件下，TB-COF的质子电导率几乎超过了已有文献报道的所有COFs材料。为了进一步提高材料的质子电导率，将质子型离子液体1-甲基-3-(3-磺丙基)咪唑鎓硫酸氢盐([PSMIm][HSO4])通过静电相互作用锚定在TB-COF纳米通道中，得到PIL-TB-COF。其无水质子电导率在120 °C时提高到2.21 × 10-3 S cm-1。同时，密度泛函理论(DFT)计算用于表征质子在两种COFs材料纳米通道中的传递行为。这项研究表明了PIL和COFs在无水条件下质子传导的潜力，并为高温质子交换膜提供新的选择。

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