【材料】北京理工大学Angew：用于选择性气体分离的新型含硼二维材料- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-12-24

导读：北京理工大学化学与化工学院尹晓东特别研究员等人利用三芳基硼单体构筑了一系列具有类石墨炔结构的二维材料，系统研究了其含硼单体结构，二维材料孔径大小，以及堆积结构之间的关系，并初步探索了其在气体分离领域的

化学工业中的分离过程，包括天然气净化以及氧气和氮气生产这类气体分离过程，是能耗和碳排放大户，据统计其消耗的能源占世界能源总消耗的约15%。与蒸馏、吸附等传统分离方法相比，膜法分离更具节能优势。因此，具有气体选择性分离的新型膜材料的开发就成了人们的关注热点。

石墨炔（GDY）是继金刚石、富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后的一种新型二维碳族材料，同时具有sp和sp²杂化碳原子的独特构型。石墨炔具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、多孔、优良的化学和热稳定性，有望成为新型的分离膜材料。基于上述背景，北京理工大学化学与化工学院尹晓东特别研究员等人利用三芳基硼单体构筑了一系列具有类石墨炔结构的二维材料，系统研究了其含硼单体结构，二维材料孔径大小，以及堆积结构之间的关系，并初步探索了其在气体分离领域的应用潜力。相关论文发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition，第一作者为博士生赵丰贵，尹晓东特别研究员为通讯作者。

由于硼原子的2s²2p¹价电子结构，中性硼化合物（如BF₃）经常采用平面的sp²杂化构型，有利于形成平面二维骨架。其中，三芳基硼（TAB）由于芳基的动力学保护，具有良好的化学稳定性，因此，TAB是构建新型平面二维材料的优良构筑单元。

本文采用“自下而上”的方法，在铜箔表面通过炔-炔偶联反应，制备了具有可调孔径的基于TAB的类石墨炔二维结构（TAB-GDY）。通过机械超声法制备得到约4 nm的超薄TAB-GDY膜，选区电子衍射（SAED）呈现明显的六边形对称模式，证明了TAB-GDY薄膜的结晶性。结合实验的SAED、DFT计算的晶胞参数、堆积结构建立和SAED模拟，确定了TAB-GDY层间采用了多重堆积的方式。

气体吸-脱附实验表明TAB-GDY具有较大比表面积和丰富的微孔结构，另外，由于TAB基团的缺电子性和乙炔键的富电子性，TAB-GDY在二元气体中表现出一定的IAST选择性。其中，DPCEDMTAB-GDY对CO₂/N₂和CO₂/H₂的选择性最大，分别为21.8和41.9，其次为TMTAB-GDY、CEDMTAB-GDY和DMTAB-GDY。此外，四种TAB-GDY对CO₂/CH₄（3.1-5.3）和C₂H₂/CO₂（1.8-2.3）的选择性相似。

本工作结合了石墨炔和三芳基硼的优点，开发了一系列结构清晰、稳定性好的含硼二维骨架，其孔径可调为今后在气体分离领域的应用奠定了基础，进一步丰富了石墨炔类材料家族的结构多样性和应用领域。

上述工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。同时感谢北京理工大学分析测试中心在相关测试方面的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Precise Preparation of Triarylboron-Based Graphdiyne Analogues for Gas Separation

Fenggui Zhao, Guanming Liao, Meiyan Liu, Tao Wang, Yingjie Zhao, Jialiang Xu, Xiaodong Yin

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202317294

通信作者简介

尹晓东，北京理工大学化学与化工学院特别研究员，博士生导师。2011年毕业于中国科学院化学研究所，获得有机化学博士学位，师从李玉良院士。之后分别在美国罗格斯大学，南卡罗莱纳大学，哥伦比亚大学担任博士后研究员。2018年9月入职北京理工大学化学化工学院，主要研究方向为有机硼功能材料的开发及应用。目前已在包括Nat. Chem., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. 等国际知名期刊上发表SCI论文70篇。

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/boronbit