[发明专利]在α-Al2O3陶瓷表面生长微孔聚合物SNW薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于席夫碱反应在α-Al₂O₃陶瓷表面生长微孔聚合物SNW薄膜的方法。

背景技术

微孔聚合物是近些年发展起来的一类新型有机多孔材料，与传统的沸石分子筛、活性炭等无机多孔材料不同，微孔聚合物是由富含苯环或芳杂环的刚性有机分子通过基团键和反应连接形成的网络框架结构。这类材料具有较好的热/化学稳定性、高比表面积、低密度，在气体存储与分离、化学反应催化、光电转换等领域有潜在的应用前景（参考文献1.J.R.Holst and A.I.Cooper,Adv.Mater.,2010,22,5212.）。与无机多孔材料相比，微孔聚合物的孔径与比表面积更容易实现人为调控，结构与功能的设计也更灵活，因此这一领域目前已经成为多孔材料研究的前沿和热点。

但是，微孔聚合物框架中的功能性基团数量通常较少，限制了催化性能和气体吸附性能的发挥。此外，此前报道的微孔聚合物大多以粉体形式存在，难溶于水或有机溶剂，给材料的后加工带来困难，不利于进一步制造功能器件。如果可以将富含功能基团的微孔聚合物以薄膜形式直接沉积生长在基材表面，则可以一石二鸟地解决上述两个问题。

基于席夫碱反应的微孔聚合物SNW是Thomas等人在2009年报道合成的富含氮元素的有机多孔材料，含氮量高达40wt%。如此高的含氮量是因为在合成过程中使用了三聚氰胺为原料，氮原子的引入可以大幅促进SNW的气体吸附性能和催化剂负载能力。不仅如此，SNW在酸性或碱性环境中都可以稳定存在，比表面积也高达1300m².g^-1，是一种理想的有机多孔材料。SNW的结构如式1所示（参考文献2.M.G.Schwab,B.Fassbender,H.W.Spiess,A.Thomas,X.L.Feng.,K.Müllen,J.Am.Chem.Soc.,2009,131,7216.），三聚氰胺的氨基与对苯二醛的醛基之间通过席夫碱反应脱水缩合实现键和，按照这一连接方式延伸下去就形成了网络结构。

α-Al₂O₃是一种廉价易得的陶瓷基材，强度高、比表面积大、耐热性好，广泛用于气体分离、纯化、反应催化等领域。如果可以将SNW以薄膜形式直接生长到α-Al₂O₃基材表面，则既能方便材料的后续加工，又可以提高器件的气体吸附性能和催化性能，达到强-强联合的效果。

式1：文献中报道的SNW的化学结构²

发明内容

为了达到加工方便、成本降低、性能复合增强等目标，我们首次将基于席夫碱反应的微孔聚合物SNW薄膜原位生长到多孔α-Al₂O₃陶瓷表面。

为实现本发明目的，其采用具体技术方案为：

一种基于席夫碱反应在α-Al₂O₃陶瓷表面生长微孔聚合物SNW薄膜的方法。所述的α-Al₂O₃，需要事先对α-Al₂O₃表面进行化学修饰改性，方法如式2所示。用3-氨丙基三乙氧基硅烷对α-Al₂O₃陶瓷表面进行化学接枝改性，硅乙氧基与α-Al₂O₃表面的羟基通过缩合脱醇实现键和。改性后的基材表面带有氨基，可以与SNW合成所需的对苯二醛发生反应，使SNW薄膜原位接枝生长在α-Al₂O₃陶瓷表面。

式2：对α-Al₂O₃表面进行化学修饰改性

所述的3-氨丙基三乙氧基硅烷也可以被其它具有类似结构的分子替代，其共同特征为：同时含有氨基-NH₂和硅烷氧基-Si(OR)的分子(其中R为甲基或乙基)。

所述的化学修饰改性条件为：温度0～100℃，时间1～24h，改性后的α-Al₂O₃基材经乙醇洗涤、真空干燥后可用于后续反应。改性过程中反应物在溶剂中的质量浓度为：3-氨丙基三乙氧基硅烷：0.1-1wt%;α-Al₂O₃基材：1-10wt%。