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    浙江大學伍廣朋研究員JACS: 無金屬、可規模化制備、具有空前聚合效率的二氧化碳共聚物催化劑的創制
    2020-06-27  來源:高分子科技

      在發展需兼顧節約資源和環境保護可持續理念的驅動下,由二氧化碳CO2)和環氧烷烴作為反應原料在催化劑作用下交替共聚生成可降解的脂肪族聚碳酸酯成為環保、低碳和可持續高分子材料研究的典型代表。得益于高活性的催化體系的開發,二氧化碳基聚碳酸酯材料已經具備了大規模產業化的基礎,如:德國科思創Covestro、美國Novomer以及國內的多家公司都在開展二氧化碳基高分子材料的工業化生產和應用推廣。目前絕大多數的高活性催化體系都是金屬催化劑,其制備往往需要多步的合成步驟。此外,聚合反應后期還需對金屬催化劑進行去除,尤其是一些高染色和高毒性的催化劑,不可避地免地增加了二氧化碳聚合物在生產和加工上的成本。



      近日,浙江大學高分子系SIEPM科研團隊的伍廣朋研究員課題組報道了一類可規模化制備、高耐熱性、具有空前催化效率的無金屬催化劑。這類催化劑合成簡單高效,只需要兩步反應,在實驗室就可實現近乎100%收率的公斤級制備;催化劑可以承受150度的高溫反應;聚合反應中二氧化碳的固定率和聚合物的產物選擇性均達到了99%以上;催化效率可達5公斤聚合物(PCHC)/克催化劑,是目前已報道的所有的金屬和無金屬均相催化體系的最高值;催化劑無毒、易于存儲和使用,不會對聚合生產和材料后期的加工造成染色上的困擾。作者通過對催化劑的晶體結構、對比實驗、核磁硼譜、聚合反應動力學以及密度泛函理論模擬的深入分析,提出了一種全新的聚合反應機理,即:引發負離子動態地穿梭于分子內路易斯酸硼中心和銨鹽正離子之間實現聚合物鏈的快速地交替插入環氧烷烴和二氧化碳分子,進而保證了聚合反應的高效鏈增長。



      據伍廣朋研究員介紹,有機催化體系的使用可有效避免傳統金屬催化劑殘留導致的聚合產物的電子級純度不佳和蝕刻受阻難題,這一高活性催化體系的開發將有效推進他們正在開展的另一項研究—可用于半導體領域的小于10納米的二氧化碳基刻蝕材料和高靈敏度光刻膠材料的開發。


      這一高活性有機催化體系得到了審稿人的積極評價。


      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.”  


      博士生楊貫文為論文的第一作者,張瑤瑤謝瑞同學為論文共同作者,伍廣朋研究員為論文的通訊作者。作者特別感謝清華大學的袁尚福博士在晶體解析上提供的諸多幫助。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、重大研究計劃(培育項目)和浙江大學百人計劃啟動經費的支持。


      論文鏈接: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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    (責任編輯:xu)
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