尹晓东等在含硼石墨炔类二维材料的构筑和应用方面取得进展

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近日，北京理工大学化学与化工学院博士生赵丰贵第一作者身份在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》发表题目为“Precise Preparation of Triarylboron-Based Graphdiyne Analogues for Gas Separation”的研究论文（DOI: 10.1002/anie.202317294）。北京理工大学为论文第一通讯单位，北京理工大学化学与化工学院尹晓东特别研究员为通讯作者。
         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。近日，北京理工大学化学与化工学院尹晓东特别研究员等人，基于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。
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。
        原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202317294
        附作者简介：
       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。
      文章来源：北京理工大学