内置苯基桥接开关对多孔芳香骨架材料油水分离性能的强化

doi:10.7503/cjcu20250074

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (9): 20250074.doi: 10.7503/cjcu20250074

内置苯基桥接开关对多孔芳香骨架材料油水分离性能的强化

马硕¹^,², 陈士欣¹^,², 夏春龙³, 周鸿飞³, 李丛³, 白伟桦⁴, 崔博⁵, 郑桂月⁵, 布乃顺¹^,²(), 何哲¹^,²()

^1.辽宁大学司法鉴定研究院, 2. 环境学院, 沈阳 110036
^3.辽宁省抚顺水文局, 抚顺 113005
^4.辽宁省河库管理服务中心, 沈阳 110055
^5.辽宁大学化学学院, 沈阳 110036

收稿日期:2025-03-17 出版日期:2025-09-10 发布日期:2025-06-20
通讯作者: 布乃顺,何哲 E-mail:bunaishun@lnu.edu.cn;hezhe1980@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(31972522);抚顺市水务局政府服务项目(JH24-210400-00444);辽宁省教育厅高校基本科研项目、沈阳市科技局社会治理科技专项、辽宁大学基本科研项目和辽宁大学大学生创新创业训练计划项目资助

Built-in Phenyl Bridging Switch Enhances the Oil-water Separation Performance of Porous Aromatic Framework Material

MA Shuo¹^,², CHEN Shixin¹^,², XIA Chunlong³, ZHOU Hongfei³, LI Cong³, BAI Weihua⁴, CUI Bo⁵, ZHENG Guiyue⁵, BU Naishun¹^,²(), HE Zhe¹^,²()

^1.Institute of Forensic Institution
^2.College of Environment，Liaoning University，Shenyang 110036，China
^3.Fushun Hydrological Bureau of Liaoning Province，Fushun 113005，China
^4.Liaoning River and Reservoir Management Service Center，Shenyang 110055，China
^5.College of Chemistry，Liaoning University，Shenyang 110036，China

Received:2025-03-17 Online:2025-09-10 Published:2025-06-20
Contact: BU Naishun, HE Zhe E-mail:bunaishun@lnu.edu.cn;hezhe1980@126.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(31972522);the Fushun Water Affairs Bureau Government Service Project, China(JH24-210400-00444);the Liaoning Provincial Department of Education Basic Scientific Research Project for Universities, China, the Shenyang Science and Technology Bureau Social Governance Science and Technology Special Project, China, the Liaoning University Fundamental Research Program, China and the Liaoning University Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Program, China

摘要/Abstract

摘要：

超疏水多孔芳香骨架材料能有效实现油水分离, 在石油污水处理方面具有良好应用前景, 其微腔强大的毛细管作用被证实是有效容器, 但相对较小的孔道空间导致其吸附能力有限. 本文通过在咔唑基多孔芳香骨架中引入额外的苯基片段作为桥接开关(π-π交联桥), 制备了超疏水多孔芳香骨架材料(LNU-42), 从而增大了材料的孔径. 结果表明, 与未引入苯基桥开关的咔唑基超疏水多孔芳香骨架材料(LNU-40)相比, 内置苯基桥接开关使LNU-42的孔径扩大了6~8倍, 显著增加了对有机溶剂的容纳空间, 负载LNU-42后的织物对氯苯吸附量达到自身重量的7.8倍, 吸附性能提高了66%, 对氯苯、四氯化碳等有机溶剂的分离效率超过90%. 值得注意的是, 在强酸/碱性(1 mol/L)和高盐浓度(1 mol/L)等较严苛环境条件下, LNU-42仍能保持较强的疏水性. 本研究为制备具有高效油水分离性能的超疏水材料提供了适宜的技术路径, 并为处理石油污水提供了科技支撑.

关键词: 超疏水多孔芳香骨架材料, 内置苯基桥接开关, Suzuki反应, 油水分离性能

Abstract:

Superhydrophobic porous aromatic framework materials have demonstrated remarkable potential in efficiently achieving oil-water separation， thereby holding great promise for their application in treating oilfield wastewater. The robust capillary action within their microcavities has been verified to serve as an effective containment mechanism. Nevertheless， the relatively constricted pore space poses a limitation on their adsorption capacity. In this work， by ingeniously incorporating additional phenyl fragments as bridging switches（π-π cross-linking bridges） into the carbazole-based porous aromatic framework， we synthesized a novel superhydrophobic porous aromatic material， denoted as LNU-42， and significantly enlarged its pore size. Experimental results reveal that， in contrast to the carbazole-based superhydrophobic porous aromatic material LNU-40， which lacks the phenyl-bridge switches， the introduction of these built-in phenyl-bridging switches has led to a 6—8-fold expansion in the pore size of LNU-42. This substantial increase has notably augmented the accommodation space for organic solvents. Specifically， the fabric impregnated with LNU-42 exhibits an outstanding adsorption capacity for chlorobenzene， reaching up to 7.8 times its own weight， representing a 66% enhancement in adsorption performance. Moreover， the separation efficiency of LNU-42 for organic solvents such as chlorobenzene and carbon tetrachloride surpasses 90%. Notably， LNU-42 demonstrates remarkable stability， maintaining its strong hydrophobicity even under extremely harsh environmental conditions， including strong acid/alkali（1 mol/L） and high-salt concentration（1 mol/L）. This study not only furnishes a viable technical approach for the fabrication of superhydrophobic materials with high-efficiency oil-water separation capabilities but also offers crucial scientific and technological underpinnings for the treatment of oilfield wastewater.

Key words: Superhydrophobic porous aromatic framework material, Built-in phenyl bridging switch, Suzuki reaction, Oil-water separation performance

中图分类号:

O631

TrendMD:

马硕, 陈士欣, 夏春龙, 周鸿飞, 李丛, 白伟桦, 崔博, 郑桂月, 布乃顺, 何哲. 内置苯基桥接开关对多孔芳香骨架材料油水分离性能的强化. 高等学校化学学报, 2025, 46(9): 20250074.

MA Shuo, CHEN Shixin, XIA Chunlong, ZHOU Hongfei, LI Cong, BAI Weihua, CUI Bo, ZHENG Guiyue, BU Naishun, HE Zhe. Built-in Phenyl Bridging Switch Enhances the Oil-water Separation Performance of Porous Aromatic Framework Material. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(9): 20250074.

图/表 7

Fig.1 FTIR spectra(A), 13C NMR spectrum(B), PXRD pattern(C) and TG curve of LNU⁃42(D)

Fig.2 SEM image(A) and TEM image(B) of LNU⁃42, N2 adsorption⁃desorption isotherm of LNU⁃42 at 77 K(C) and pore size distribution of LNU⁃42(D)

Fig.3 Photograph of LNU⁃42 solids dispersed in a kerosene/water mixture(A), self⁃cleaning performance of LNU⁃42(B) and water(dyed with methylene blue) droplets on the LNU⁃42 coated glass(C)

Fig.4 SEM images for fabric before(A) and after(B) LNU⁃42 coated, and water(dyed with methylene blue) and chloroform(dyed with methyl red) droplets on the LNU⁃42 coated fabric(C)（B） Inset： water contact angle photograph of LNU-42 coated fabric.

Fig.5 Photographs using LNU⁃42 coated fabric to separate the mixture of chloroform(dyed with methyl red) and water(dyed with methyl blue)(A), separation efficiency of LNU⁃42 coated fabric for different organic solvents(B), adsorption capacities of LNU⁃42 coated fabric for different oils and organic solvents(C) and comparison of cyclic properties of LNU⁃42 loaded fabrics with coatings of other materials(D)

Fig.6 Different droplets(H2O, NaOH, NaCl, HCl) on the LNU⁃42 coated fabric

Fig.7 Contact angle of LNU⁃42 coated fabric at different pH values(A) and temperatures(B), and chlorobenzene separation performance via LNU⁃42 loaded materials based on adsorption capacity(C)

参考文献 43

[1]	Huynh B. Q.， Kwong L. H.， Kiang M. V.， Chin E. T.， Mohareb A. M.， Jumaan A. O.， Basu S.， Geldsetzer P.， Karaki F. M.， Rehkopf D. H.， Nat. Sustain.， 2021， 4（12）， 1084—1091
[2]	Goldstein B. D.， Osofsky H. J.， Lichtveld M. Y.， N. Engl. J. Med.， 2011， 364（14）， 1334—1348
[3]	Chen J. H.， Zhang W. P.， Wan Z.， Li S. F.， Huang T. C.， Fei Y. J.， J. Clean. Prod.， 2019， 227， 20—32
[4]	Liu Y.， Li T.， Wang Y.， Dong W. F.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（8）， 1775—1783
	刘耘，李婷，汪洋，东为富. 高等学校化学学报， 2019， 40（8）， 1775—1783
[5]	Song J. L.， Lu Y.， Luo J.， Huang S.， Wang L.， Xu W. J.， Parkin I. P.， Adv. Mater. Interfaces， 2015， 2（15）， 1500350
[6]	Prartono T.， Dwinovantyo A.， Syafrizal S.， Syakti A. D.， Microorganisms， 2022， 10（8）， 1616
[7]	Tan J. Y.， Low S. Y.， Ban Z. H.， Siwayanan P.， Bioresources， 2021， 16（4）， 8394—8416
[8]	Wang Y. H.， Yan J. M.， Wang J. G.， Zhang X. M.， Wei L. Q.， Du Y. C.， Yu B.， Ye S. F.， Chemosphere， 2020， 260， 127583
[9]	Alammar A.， Park S. H.， Williams C. J.， Derby B.， Szekely G.， J. Membr. Sci.， 2020， 603， 118007
[10]	Peng S.， Ji X. Y.， Dong H. H.， Guo Z. R.， Ma H. B.， Han R. M.， Pang K. Y. J.， Chen X. X.， Wang X. L.， Colloid Surf. A： Physicochem. Eng. Asp. 2024， 692， 133996
[11]	Hoang A. T.， Nižetić S.， Duong X. Q.， Rowinski L.， Nguyen X. P.， Chemosphere， 2021， 277， 130274
[12]	Cousins K.， Zhang R. W.， Polymers， 2019， 11（4）， 690
[13]	You B. X.， Tian Y. Y.， Wang B. L.， Zhu G. S.， J. Colloid Interface Sci.， 2022， 628， 1023—1032
[14]	Xu M. W.， Yang S. X.， Liu G. L.， Wang S. Z.， Wang C. M.， Li J. Q.， Li X.， Zhang Y. F.， Zhang M. M.， He X. J.， Xu H.， Chem. J. Chinese Universities， 2025， 46（4）， 20240506
	徐明伟，杨尚学，刘冠林，汪少振，王存民，李佳琪，李湘，张一帆，张明明，何新建，徐欢. 高等学校化学学报， 2025， 46（4）， 20240506
[15]	Yan Z. J.， Qiao Y. M.， Sun Q. Q.， Cui B， Feng B.， Bu N. S.， Chu K， Ruan X. H.， Yuan Y， Yang Y. J.， Xia L. X.， Molecules， 2022， 27（18）， 6113
[16]	Hao Q.， Tao Y.， Ding X. S.， Yang Y. J.， Feng J.， Wang R. L.， Chen X. M.， Chen G. L.， Li X. M.， Ouyang H.， Hu X. L.， Tian J.， Han B. H.， Zhu G. S.， Wang W.， Zhang F.， Tan B.， Li Z. T.， Wang D.， Wan L. J.， Sci. China： Chem. 2023， 66（3）， 620—682
[17]	Tian Y. Y.， Zhu G. S.， Chem. Rev.， 2020， 120（16）， 8934—8986
[18]	Zhao T. Y.， Li X. L.， Wang F. Z.， Ren H.， Sun F. X.， Inorg. Chem. Commun.， 2023， 158， 111657
[19]	Gao C. Y.， Xiang T. T.， Chen S. X.， Sun Q. Q.， Wang J. L.， Zheng G. Y.， Zhao Z. Y.， Liu Z. Y.， Cui B.， Yan Z. J.， Bu N. S.， Wu Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（5）， 20240061
	高昌源，向婷婷，陈士欣，孙琪琪，王佳乐，郑桂月，赵子谊，刘子煜，崔博，闫卓君，布乃顺，武悦. 高等学校化学学报， 2024， 45（5）， 20240061
[20]	An L. C.， Han J. F.， Zhang Y. H.， Bu X. H.， Chin. J. Appl. Chem.， 2018， 35（9）， 1019—1025
	安连财，韩久放，章应辉，卜显和. 应用化学， 2018， 35（9）， 1019—1025
[21]	Li Z. N.， Sha H. Y.， Yang N.， Yuan Y.， Zhu G. S.， Acta Chim. Sin.， 2019， 77（5）， 469—474
	李樟楠，沙浩岩，杨南，元野，朱广山. 化学学报， 2019， 77（5）， 469—474
[22]	Yuan Y.， Yan Z. J.， Ren H.， Liu Q. Y.， Zhu G. S.， Sun F. X.， Acta Chim. Sin.， 2012， 70（13）， 1446—1450
	元野，闫卓君，任浩，刘青英，朱广山，孙福兴. 化学学报. 2012， 70（13）， 1446—1450
[23]	Jing B. Y.， Lei T. Y.， Wang J. J.， Xu L.， Liu J.， Sun H.， Gao S.， Miao F. J.， Zang Y.， Micropor. Mesopor. Mat.， 2022， 339， 111990
[24]	Xie Y.， Liu M.， Du H. L.， Gui B.， Sun J. L.， Wang C.， Sci. China： Chem.， 2022， 65（11）， 2177—2181
[25]	Zhao C. J.， Wang Z. J.， Yan Y.， Xu H.， Zhou J. Y.， Yang L. W.， Wang D. S.， Environ. Sci.， 2022， 43（2）， 907—919
	赵传靓，王子婕，闫仪，徐慧，周俊垣，杨利伟，王东升. 环境科学. 2022， 43（2）， 907—919
[26]	Karakhanov E.， Maximov A.， Terenina M.， Vinokurov V.， Kulikov L.， Makeeva D.， Glotov A.， Catal. Today， 2020， 357， 176—184
[27]	Cao X. X.， Wang R. Y.， Peng Q.， Zhao H. W.， Fan H.， Liu H.， Liu Q. Q.， Polymer， 2021， 233， 124192
[28]	Chen F. Z.， Wang Y. Q.， Tian Y. L.， Zhang D. W.， Song J. L.， Crick C. R.， Carmalt C. J.， Parkin I. P.， Lu Y.， Chem. Soc. Rev.， 2022， 51（20）， 8476—8583
[29]	Yang L. K.， Wu L. S.， Yang X.， Ma J. C.， Nie Y.， Jiang X. C.， Acta Mater. Compositae Sin.， 2024， 41（8）， 3950—3967
	杨立凯，吴林森，杨旭，马佳晨，聂永，蒋绪川. 复合材料学报. 2024， 41（8）， 3950—3967
[30]	Zhang M. Y.， Ma L. J.， Wang Q.， Hao P.， Zheng X.， Colloid. Surface A， 2020， 604， 125291
[31]	Cassie A.， Baxter S.， Trans. Faraday Soc.， 1944， 40， 546—550
[32]	Guo J. W.， Yu L. H.， Yue H. B.， React. Funct. Polym.， 2019， 135， 58—64
[33]	Han N.， Zhang Z. X.， Gao H. K.， Qian Y. Q.， Tan L. L.， Yang C.， Zhang H. R.， Cui Z. Y.， Li W.， Zhang X. X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 12（2）， 2926—2934
[34]	Li S. S.， Huang Z.， Zhang H. J.， Deng X. G.， Ran S. L.， Zhang J.， Jia Q. L.， Zhang S. W.， Ceram. Int.， 2021， 47（18）， 25674—25679
[35]	Lee D. H.， Ko K. C.， Ko J. H.， Kang S. Y.， Lee S. M.， Kim H. J.， Ko Y. J.， Lee J. Y.， Son S. U.， ACS Macro Lett.， 2018， 7（6）， 651—655
[36]	Wang Y. C.， Xie J. S.， Ren Z. H.， Guan Z. H.， Chem. Eng. J.， 2022， 448， 137687
[37]	Zhang M. H.， Xin X. L.， Xiao Z. Y.， Wang R. M.， Zhang L. L.， Sun D. F.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（3）， 1168—1175
[38]	Jayaramulu K.， Geyer F.， Petr M.， Zboril R.， Vollmer D.， Fischer R. A.， Adv. Mater.， 2017， 29（12）， 1605307
[39]	Jayaramulu K.， Datta K. K. R.， Rösler C.， Petr M.， Otyepka M.， Zboril R.， Fischer R. A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（3）， 1178—1182
[40]	Bai C. Y.， Hu C. B.， Ni P. Y.， Zhang X.， Zhang W. X.， Zhang S.， Tang J. T.， Li T. Z.， Li Y.， Surf. Interfaces， 2023， 37， 102679
[41]	Cao W. T.， Liu Y. J.， Ma M. G.， Zhu J. F.， Colloid. Surface A， 2017， 529， 18—25
[42]	Xu M. H.， Pan G. X.， Guo Y. H.， Liang Q.， Yu Z. J.， Cao Y. Y.， Wang Y. Y.， J. Water Process Eng.， 2024， 60， 105211
[43]	Chen L.， Zhou C. L.， Yang H.， Lin J.， Ge Y.， Zhou W.， Lu C. Y.， Tan L. X.， Dong L. C.， Chem. Commun.， 2021， 57（87）， 11533—11536

内置苯基桥接开关对多孔芳香骨架材料油水分离性能的强化

Built-in Phenyl Bridging Switch Enhances the Oil-water Separation Performance of Porous Aromatic Framework Material

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 43

相关文章 4

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	李艳杰,王恩思,邵晓玮,张兴民,牛生秀,杨丽娟,武毅. 咪唑酮并[4,5-c]喹啉衍生物的合成及体外生物活性[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(12): 2502.
[2]	周文俊, 周宇, 张霞忠, 曾彬. 果胶负载钯催化剂的制备及Suzuki反应催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(4): 669.
[3]	申利群, 黄素玉, 雷福厚, 黄在银. N,N,O,O-四齿配体-钯(Ⅱ)配合物的生成反应热动力学及在Suzuki反应中的催化活性[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(6): 1428.
[4]	张金莉,吴养洁,李敬亚,杜晨霞,郑菊梅,麦松威,宋毛平 . 由二茂铁亚胺环钯催化的Suzuki偶联反应合成具有发光性能的3-芳基噻吩[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(12): 2311.