Molten Salt Templated Synthesis of Covalent Isocyanurate Frameworks with Tunable Morphology and High CO2 Uptake Capacity

共晶体系 材料科学 碱金属 异氰酸酯 盐(化学) 微型多孔材料 单体 高分子化学 化学工程 介孔材料 无机化学 聚合物 共价键 有机化学 催化作用 化学 聚氨酯 合金 工程类 复合材料
作者
Kyung Seob Song,Siddulu Naidu Talapaneni,Timur Ashirov,Ali Coşkun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (22): 26102-26108 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsami.1c06326
摘要

The use of reactive molten salts, i.e., ZnCl2, as a soft template and a catalyst has been actively investigated in the preparation of covalent triazine frameworks (CTFs). Although the soft templating effect of the salt melt is more prominent at low temperatures, close to the melting point of ZnCl2, leading to the formation of abundant micropores, a significant mesopore formation is observed that is due to the partial carbonization and other side reactions at higher temperatures (>400 °C). Evidently, high-temperature synthesis of CTFs in various eutectic salt mixtures of ZnCl2 with alkali metal chloride salts also leads to mesopore formation. We reasoned that using the isocyanate moieties instead of cyano groups in the monomer, 1,4-phenylene isocyanate, could enable efficient interactions between carbonyl moieties and alkali metal ions to realize efficient salt templating to form covalent isocyanurate frameworks (CICFs). In this direction, the trimerization of 1,4-phenylene diisocyanate was carried out under ionothermal conditions at different reaction temperatures using ZnCl2 (CICF) and the eutectic salt mixture of KCl/NaCl/ZnCl2 (CICF-KCl/NaCl) as the reactive solvents. We observed notable differences in the morphologies of the two polymers, whereas CICF showed irregular-shaped micrometer-sized particles, the CICF-KCl/NaCl exhibited a filmlike morphology. Moreover, favorable ion-dipole interactions between alkali metal cations and oxygen atoms of the monomer facilitated two-dimensional growth and the formation of a purely microporous framework in the case of CICF-KCl/NaCl along with a near theoretical retention of the nitrogen content at 500 °C. The CICF-KCl/NaCl showed a BET surface area of 590 m2 g–1 along with a CO2 uptake capacity of 5.9 mmol g–1 at 273 K and 1.1 bar because of its high microporosity and nitrogen content. On the contrary, in the absence of alkali metal ions, CICF showed high mesopore content and a moderate CO2 uptake capacity. This study underscores the importance of the strength of the interactions between the salts and the monomer in the ionothermal synthesis to control the morphology, porosity, and gas uptake properties of the porous organic polymers.
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