保持適當的濕度與人體的健康和環境的舒適度息息相關。日常生活中,干燥劑已被廣泛用于需要控制濕度的場合,如產品儲存等。而在干燥環境的同時,干燥劑本身卻是一種潛在的水捕獲劑。因此,既能在寬溫度范圍內保持高吸水能力,又能在低溫下再生的干燥劑可以作為低耗能的水分捕獲劑使用。
常見用于除濕的材料中,沸石和氧化鋁的再生溫度高達250-350℃,耗能大。新型材料金屬有機骨架(MOFs),在低濕度下吸水量大,約82wt%,卻因水敏感性,不適合長期使用。而雜原子摻雜的碳材料需要數百度的高溫才能合成,也不是很好的選擇。
近年來,多孔有機聚合物(POPs)因其高穩定性,高表面積和可變功能性,引起了人們的廣泛關注。通過調節其功能,POPs已廣泛應用于氣體吸附和分離,水凈化,催化和儲能領域。近期,瑞士弗里堡大學化學系的Ali Coskun教授課題組利用Diels-Alder環加成聚合反應,合成了環氧官能化的多孔有機聚合物(ep-POPs)。該類材料在較寬溫度范圍內表現出了高吸水性和低溫回再生性,可節能高效地捕獲大氣中的水分。
研究者首先采用兩種不同的環狀呋喃化合物和反式雙環氧蒽為起始原料,利用無催化劑參與的一鍋聚合法,得到了二維和三維環氧修飾的多孔聚合物(2Dep-POP、3Dep-POP,如圖1所示)。接著利用X射線光電子能譜(XPS)、固態13C-NMR表征了該聚合物的結構(圖2a,2b)。核磁結果顯示2D和3D網絡之間化學位移存在明顯的差異。2D網絡中,苯核的信號出現在129 ppm,而3D網絡中,環辛四烯環的信號出現在較高,約115 ppm處。而紅外光譜和熱重分析的結果進一步證實了該類材料中優異的吸水性(圖2c,2d)。紅外光譜中,-OH的伸縮振動和彎曲振動均有明顯的藍移和紅移,這表明了ep-POPs的醚結構與水分子之間的存在強烈氫鍵相互作用。TGA的結果則表明2D ep-POP在55℃時水分迅速脫附,3Dep-POP在100℃前完成了水分的完全脫除,均體現了遠低于傳統干燥劑的再生溫度。
之后,研究者還利用了Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面積分析實驗了解了該ep-POPs材料的孔隙率和孔徑分布,其結果表明ep-POPs是典型的微孔型材料(圖3)。最后,298K時ep-POP的體積吸水量等溫線、ep-POP的循環周期測試曲線和不同溫度范圍內其重量水吸附等溫線被研究者一一考察,結果如圖4所示,表明了該材料對于水分子的高吸附性、寬溫度適用性和循環穩定性。
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