浙江大学伍广朋研究员JACS: 无金属、可规模化制备、具有空前聚合效率的二氧化碳共聚物催化剂的创制

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在发展需兼顾节约资源和环境保护可持续理念的驱动下，由二氧化碳（CO₂）和环氧烷烃作为反应原料在催化剂作用下交替共聚生成可降解的脂肪族聚碳酸酯成为环保、低碳和可持续高分子材料研究的典型代表。得益于高活性的催化体系的开发，二氧化碳基聚碳酸酯材料已经具备了大规模产业化的基础，如：德国科思创Covestro、美国Novomer以及国内的多家公司都在开展二氧化碳基高分子材料的工业化生产和应用推广。目前绝大多数的高活性催化体系都是金属催化剂，其制备往往需要多步的合成步骤。此外，聚合反应后期还需对金属催化剂进行去除，尤其是一些高染色和高毒性的催化剂，不可避地免地增加了二氧化碳聚合物在生产和加工上的成本。

近日，浙江大学高分子系SIEPM科研团队的伍广朋研究员课题组报道了一类可规模化制备、高耐热性、具有空前催化效率的无金属催化剂。这类催化剂合成简单高效，只需要两步反应，在实验室就可实现近乎100%收率的公斤级制备；催化剂可以承受150度的高温反应；聚合反应中二氧化碳的固定率和聚合物的产物选择性均达到了99%以上；催化效率可达5公斤聚合物(PCHC)/克催化剂，是目前已报道的所有的金属和无金属均相催化体系的最高值；催化剂无毒、易于存储和使用，不会对聚合生产和材料后期的加工造成染色上的困扰。作者通过对催化剂的晶体结构、对比实验、核磁硼谱、聚合反应动力学以及密度泛函理论模拟的深入分析，提出了一种全新的聚合反应机理，即：引发负离子动态地穿梭于分子内路易斯酸硼中心和铵盐正离子之间实现聚合物链的快速地交替插入环氧烷烃和二氧化碳分子，进而保证了聚合反应的高效链增长。

据伍广朋研究员介绍，有机催化体系的使用可有效避免传统金属催化剂残留导致的聚合产物的电子级纯度不佳和蚀刻受阻难题，这一高活性催化体系的开发将有效推进他们正在开展的另一项研究—可用于半导体领域的小于10纳米的二氧化碳基刻蚀材料和高灵敏度光刻胶材料的开发。

这一高活性有机催化体系得到了审稿人的积极评价。

Reviewer 1：“Wu’s catalyst is extremely simple and the activity achieved (5.0 kg/g) may astonish the researchers in this field.”  

Reviewer 2：“These results would contribute to further development of catalysts as well as industrial production of CO2-derived polycarbonates, and thus be very informative to a broad range of readers.”  

博士生杨贯文为论文的第一作者，张瑶瑶和谢瑞同学为论文共同作者，伍广朋研究员为论文的通讯作者。作者特别感谢清华大学的袁尚福博士在晶体解析上提供的诸多帮助。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、重大研究计划（培育项目）和浙江大学百人计划启动经费的支持。

论文链接：

Scalable bifunctional organoboron catalysts for copolymerization of CO2 and epoxides with unprecedented efficiency, 2020 (doi: 10.1021/jacs.0c03651)

https://doi.org/10.1021/jacs.0c03651

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