西工大郑亚萍教授、西电李沛沛博士《Small》：一种通过原位耦合的策略构筑具有永久孔隙的III型多孔碳液体

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多孔液体（Porous liquids, PLs）是一种具有稳定孔隙结构且呈现宏观液体流动状态的新型多孔材料，其综合了多孔固体材料的有序孔道结构和液体的连续性、稳定的传质性等优点，在气体捕集与分离、催化、光热转换等方面表现出巨大的应用潜力。

自2007年James等提出多孔液体概念到2015年第一种多孔液体被合成出来，再到现在，研究者们设计了很多策略构筑多孔液体，如通过对多孔客体进行表面修饰构筑I型PLs、将多孔客体分散支链型的离子液体位阻溶剂中构筑II 、III型PLs、将金属有机框架材料（MOFs) ZIF-4加热至熔点以上得到PLs等。但截止目前，合成具有永久孔隙稳定存在的多孔液体仍然存在很多挑战，如多孔客体的结构塌陷、分子间自填充、多孔客体的集聚等。因此亟需设计一种新的策略构筑多孔液体推动其进一步发展。

为了解决以上问题，近期，西北工业大学化学化工学院郑亚萍教授和西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院李沛沛博士合作提出一种通过原位耦合的策略构筑具有永久孔隙的III型多孔液体。以中空多孔碳球（Hollow carbon nanospheres, HCNS）为多孔客体，其具有密度低、多孔壳、较大的自由体积等优点，相比实心碳球具有更广泛的应用前景；以聚离子液体（Polymerized ionic liquids, PILs）为位阻溶剂制备出一种新型多孔碳液体。

Scheme 1. Preparation of the porous carbon liquid (HCNS-liquid) based on hollow carbon spheres (HCNS). a) Synthesis of the poly(ionic liquid)s(PILs, [M2070][PSS]). b) The depiction of the preparation strategy for the HCNS-liquid.

多孔碳液体永久性孔隙保持的关键是合成特定的位阻溶剂, PILs是一种梳状或支状的室温聚合物介质，通过聚醚胺M2070和聚（4-苯乙烯-磺酸溶液）通过酸碱中和反应得到，它具有它由许多离子液体（IL）单元和大分子骨架（Scheme 1）。大分子骨架可以阻止离子液体单元在多孔空腔的自填充行为，从而使得HCNS的空腔结构得以保持；而且它具有大量带有聚醚烷基链的阳离子部分和芳香环可以产生一种较强的（液体-HCNS）作用，两亲性的PILs分子以长烷基链的聚醚胺阳离子部分和聚（4-苯乙烯磺酸阴离子）阴离子部分，PILs可以通过阳离子-π作用吸附在表面富含电子的HCNS(Figure 1)，从而获得了均一、稳定的多孔碳液体。

Figure 1.a) Photographs of the stability and salting out phenomenon ofHCNS-liquid in DI water at room temperature; b) the schematic representation of the liquid-particle interaction in HCNS-liquid. c) the ¹H NMRspectra of PILs and HCNS-liquid, respectively. The  ¹H NMR data werecollected at 25 °C in DMSO-d₆.

为了进一步探究永久性孔隙的存在及开发其潜在应用，将制备的HCNS多孔液体应用于CO₂的捕集。通过与实心碳液体（SCNS-liquid），纯聚离子液体PILs对比，HCNS多孔液体具有最大的CO₂吸收量（Figure 2），验证了其孔隙的保持。更重要的是，本文提出的原位耦合来构筑多孔碳液体策略可扩展到以其它多孔材料（如多孔氮化硼、多孔氮化碳、自聚微孔聚合物等）为客体的III型多孔液体构筑，这无疑为新型多孔液体的设计开辟了一条新的道路，推动了多孔液体在气体捕集和分离、催化等领域的发展。

Figure 2. Gravimetric CO₂ adsorption-desorption isotherms of HCNS-liquid, solid carbon liquid (SCNS-liquid), and PILs at 298 K, respectively.

本工作近期以“An In Situ Coupling Strategy toward Porous Carbon Liquidwith Permanent Porosity”为题发表在国际知名学术期刊《Small》 (工程技术一区Top期刊，2019 IF=11.459)，论文第一作者兼通讯作者为西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院李沛沛博士，西北工业大学化学化工学院郑亚萍教授为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金(No.22005233)，陕西省自然科学基金资助项目(No.2019JQ-223,)， 2020年中国科协优秀中外青年交流计划(No.2020ZZZRB265023)，西安电子科技大学科研启动经费(No.20103196763)等基金的资助。在本文研究基础上，目前该研究团队正在进行以共价有机框架材料（COFs）、多孔有机笼（POCs）等先进多孔材料客体的新型多孔液体、二维MXene基的无溶剂纳米流体的设计与合成，并探索其在气体捕集、催化、光热转换，复合材料方面的应用，多项性能测试结果也显示出优异的性能，取得了阶段性成果。

论文信息及链接：

P. Li*,  D. Wang,  L. Zhang,  C. Liu,  F. Wu,  Y. Wang,  Z. Wang,  Z. Zhao,  W. Wu,  Y. Liang,  Z. Li,  W. Wang, Y. Zheng*, An In Situ Coupling Strategy toward Porous Carbon Liquid with Permanent Porosity.Small  2021.2006687.DOI: 10.1002/smll.202006687

https://doi.org/10.1002/smll.202006687

通讯作者简介：

近年来，西北工业大学郑亚萍教授课题组、西安电子科技大学李沛沛博士长期从事多孔液体与无溶剂纳米流体的设计与构筑，及其在气体捕集、聚合物基复合材料领域的应用研究。团队现有姚东东副教授，博硕士等20余人。长期以来，团队面向国家重大需求，依托学校三航、材料、兵器等优势工科，积极与多所企事业单位、科研院所展开广泛合作，探索多孔液体与无溶剂纳米流体的应用研究，部分研究成果达到国内领先、国际先进水平；截止目前，已主持完成国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、航空科学基金和航天科学基金等国家级、省级横纵向课题20余项，发表高水平论文100余篇；授权和受理国家发明专利6项；参编高等学校教材2部。

近年来发表的部分多孔液体或无溶剂纳米流体论文：

Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2017, 129, 15154–15158.; 

Chem. Eng. J. 2020, 127625.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127625; 

Chem. Eng. J. 2021, 409, 128082.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128082;   

ACS Appl. Mater. Inter. 2021, 13, 2600–12609. 

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c18707;  

Chem. Commun. 2019, 55, 13179-13182.;   

Nanoscale 2019, 11, 1515–1519. 

Compos. Sci. Technol. 2019, 181, 107711.;   

J. Mater.Chem.A, 2016, 4,14392–14399.; 

Carbon 2016, 96, 40–48.; 

Carbon 2015, 95, 408–418.;

Carbon 2016, 110, 87–96.;

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