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吉林大學(xué)楊英威教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》綜述：基于柱芳烴的超分子聚合物用于吸附和分離
2023-03-22  來(lái)源：高分子科技

  高效吸附和分離對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活都具有重要意義。超分子聚合物將超分子化學(xué)與聚合物科學(xué)完美結(jié)合，是在分子水平構(gòu)建智能吸附材料的潛在優(yōu)選材料。與傳統(tǒng)聚合物不同，超分子聚合物能夠通過(guò)氫鍵、金屬配位、π???π堆疊、靜電和主客體相互作用等非共價(jià)相互作用連接，不僅具有高分子材料的穩(wěn)定性好、毒性低等優(yōu)點(diǎn)，而且具有超分子特有的選擇性高、刺激響應(yīng)靈敏和可循環(huán)利用等性質(zhì)，因此，在諸多領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，大環(huán)的設(shè)計(jì)與合成推動(dòng)了超分子化學(xué)和高分子科學(xué)的快速發(fā)展，其中，柱芳烴作為新一代大環(huán)化合物，是開(kāi)發(fā)性能和功能增強(qiáng)的超分子聚合物材料的重要組分，有望推動(dòng)新型智能聚合物材料領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。



  近日，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、納微構(gòu)筑化學(xué)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室楊英威教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表了題為“Pillararene-based supramolecular polymers for adsorption and separation”的綜述文章，系統(tǒng)地梳理了基于柱芳烴的超分子聚合物（Pillararene-based supramolecular polymers, PSPs）在設(shè)計(jì)與合成方面的最新進(jìn)展，及其在吸附和分離中的廣泛應(yīng)用（圖1）。作者根據(jù)拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)將PSPs材料分為線性、交聯(lián)和雜化結(jié)構(gòu)三種典型類型。其中，交聯(lián)PSPs從化學(xué)結(jié)構(gòu)的周期性角度可進(jìn)一步分為無(wú)定型態(tài)和晶態(tài)兩類。無(wú)定型態(tài)PSPs包括溶膠、凝膠/干凝膠、薄膜、非共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和共軛微孔聚合物；晶態(tài)PSPs則重點(diǎn)介紹了基于柱芳烴的超分子有機(jī)框架（SOFs）、金屬有機(jī)框架（MOFs）和共價(jià)有機(jī)框架（COFs）。此外，作者基于本團(tuán)隊(duì)在柱芳烴及拓展大環(huán)芳烴的合成與應(yīng)用方面的研究背景，詳細(xì)討論了以新型拓展柱芳烴為原料構(gòu)筑超分子聚合物吸附劑的策略。最后，作者充分論述了PSPs材料在吸附分離應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。相信本綜述能夠?yàn)楦嘈滦统肿泳酆衔锏脑O(shè)計(jì)、合成和應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供啟示和幫助。

 

圖1. 基于柱芳烴的超分子聚合物在吸附分離中的應(yīng)用

 

圖2. 線性PSPs材料的構(gòu)筑及其在吸附中的應(yīng)用

 

圖3. PSPs凝膠的構(gòu)筑及其在金屬離子吸附中的應(yīng)用

 

圖4. PSPs薄膜的構(gòu)筑及其在吸附分離中的應(yīng)用

 

圖5. 無(wú)定型態(tài)PSPs材料用于檢測(cè)和去除水中Hg離子

 

圖6. 基于柱芳烴的SOFs材料在吸附分離中的應(yīng)用

 

圖7. 基于柱芳烴的雜化超分子聚合物在吸附分離中的應(yīng)用

 

圖8. 基于拓展柱芳烴的超分子聚合物在吸附分離中的應(yīng)用


  柱芳烴在構(gòu)筑超分子聚合物吸附劑方面的優(yōu)勢(shì)主要包括：（1）具有獨(dú)特的分子識(shí)別特性，可以通過(guò)多種非共價(jià)相互作用為水、有機(jī)溶液和蒸汽中的各種目標(biāo)客體分子提供豐富的活性錨定位點(diǎn)。（2）具有可調(diào)的空腔和易修飾的位點(diǎn)，便于調(diào)控PSPs材料的骨架結(jié)構(gòu)、孔隙度、表面化學(xué)、溶解度和光學(xué)性質(zhì)等理化特性，為滲透物質(zhì)的傳輸和吸附提供了更靈活、更易于接近的聚合物基質(zhì)。（3）非共價(jià)相互作用的動(dòng)態(tài)性和可逆性可賦予PSPs材料優(yōu)異的刺激響應(yīng)性和可回收性。


  PSPs材料在吸附分離應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與展望：（1）多數(shù)已報(bào)道的PSPs材料都是基于柱芳烴的，應(yīng)致力于設(shè)計(jì)和合成具有更多骨架和官能團(tuán)種類的拓展大環(huán)分子，充分開(kāi)發(fā)PSPs材料的性能和應(yīng)用。（2）多數(shù)已報(bào)道的PSPs材料由于結(jié)構(gòu)周期性差而存在孔隙尺寸不均勻、比表面積有限、連通性不佳等問(wèn)題，應(yīng)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)明確、孔洞有序的PSPs材料，并深入研究其結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。（3）目前將PSPs用于構(gòu)建二維薄膜吸附材料的報(bào)道尚不多見(jiàn)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)相關(guān)操作條件下的機(jī)械強(qiáng)度和大規(guī)模制備的要求，應(yīng)大力開(kāi)發(fā)具有快速吸附、高穩(wěn)定性、易再塑性、良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱性能等的多功能雜化超分子聚合物材料。（4）目前利用PSPs進(jìn)行手性吸附和分離的研究尚處于起步階段，應(yīng)充分利用柱芳烴的本征平面手性，開(kāi)發(fā)具有高效手性識(shí)別和分離功能的新型超分子聚合物材料。


  文章的第一作者為吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院科研助理王卓欽，通訊作者為吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、納微構(gòu)筑化學(xué)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室楊英威教授和吉林大學(xué)鼎新學(xué)者王鑫博士。論文得到吉林省自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。


  原文鏈接：

  Zhuo-Qin Wang, Xin Wang,* and Ying-Wei Yang*, Pillararene-Based Supramolecular Polymers for Adsorption and Separation. Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202301721.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202301721

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