Обратная вулканизация - Inverse vulcanization

Получение поли (со-1,3-диизопропилбензола серы)

Обратная вулканизация не содержит растворителей сополимеризация процесс, впервые разработанный на Университет Аризоны в 2013.[1] Из-за высокого мирового производства сера как побочный продукт от сырая нефть и натуральный газ процессы переработки, новые методологии использования этого ресурса изучаются. Обратная вулканизация позволяет синтезировать недорогой и химически стабильный богатый серой материал, который имеет различные применения, такие как литий-серные батареи, Меркурий захват и инфракрасный (ИК) передача.

Синтез

Этот процесс основан на типичном свойстве серы: цепочка. В химии цепочка - это соединение атомов одного и того же элемента в последовательность, называемую цепочкой. Следовательно, с химической точки зрения обратная вулканизация аналогична сшиванию на основе серы, то есть вулканизации ненасыщенного эластомера, такого как натуральный каучук. Продукт обратной вулканизации состоит из длинных линейных цепей серы, связанных между собой органическими молекулами. Это большое (главное) отличие от сшивающих сеток, возникающих в результате вулканизации, которые основаны на коротких серных мостиках, даже образованных одним или двумя атомами серы. Процесс полимеризации заключается в нагревании элементарной серы выше ее точки плавления (115,21 ° C), чтобы способствовать полимеризация с раскрытием кольца процесс (ROP) S8 мономер, происходящая при 159 ° C. В результате жидкая сера состоит из линейных полисульфидных цепей с бирадикальными концами, которые можно легко соединить мостиком с помощью небольшого количества небольших частиц. диены, Такие как 1,3-диизопропенилбензол (DIB),[1] 1,4-дифенилбутадиин,[2] лимонен,[3] дивинилбензол (DVB),[4] дициклопентадиен,[5] стирол,[6] 4-винилпиридин,[7] циклоалкен[8] и этилиден норборнен,[9] или более длинные органические молекулы как полибензоксазины,[10] сквален[11] и триглицерид.[12]Химически диен углерод-углерод двойная связь (C = C) замещающей группы исчезает, образуя одинарная связь углерод-сера (C-S), который связывает линейные цепи серы. Огромным преимуществом такой полимеризации является отсутствие растворителя (без растворителя): сера действует как сомономер и растворитель. Это делает процесс масштабируемым в промышленных масштабах. Доказано, что синтез поли (S-r-DIB) в килограммовом масштабе уже был осуществлен правильно.[13]

Обратный процесс вулканизации серы через 1,3-диизопропенилбензол.

Товары. Характеристика и свойства

Внешний вид поли (сера-случайный-1,3-диизопропилбензол

Для исследования химической структуры сополимеров была проведена колебательная спектроскопия: наличие связей C-S было обнаружено через Инфракрасный или же Раман спектроскопии.[14] Большое количество S-S-связей делает сополимер очень неактивным в инфракрасном диапазоне в ближнем и среднем инфракрасном спектре. Как следствие, материалы с высоким содержанием серы, полученные путем обратной вулканизации, характеризуются высоким показателем преломления (n ~ 1,8), значение которого снова зависит от состава и видов сшивки.[15]Как показывает термогравиметрический анализ (ТГА) термостойкость сополимера увеличивается с увеличением количества добавленного сшивающего агента; в любом случае все испытанные составы разлагаются при температуре выше 222 ° C.[2][4]

Сосредоточение внимания на механических характеристиках, поведении сополимера, включало температура стеклования, зависит от состава и видов сшивки. Для данных сомономеров поведение сополимеров в зависимости от температуры зависит от химического состава, например, поли (сера-статистическийдивинилбензол ) ведет себя как пластомер для содержания диена от 15 до 25 мас.% и в виде вязкого смола с 30–35% мас. ДВБ. С другой стороны, поли (сера-случайный-1,3-диизопропилбензол ) выступает в качестве термопласт при 15-25% мас. ДИБ, в то время как он становится термопластом-термореактивный полимер для концентрации диена 30-35% мас.[16] Возможность разорвать и преобразовать химические связи вдоль полисульфидных цепей (S-S) позволяет восстанавливать сополимер простым нагреванием выше 100 ° C. Эта особенность увеличивает реформирование и возможность повторного использования высокомолекулярного сополимера.[17]Большое количество S-S-связей делает сополимер очень неактивным в инфракрасном диапазоне в ближнем и среднем инфракрасном спектре. Как следствие, материалы с высоким содержанием серы, полученные методом обратной вулканизации, характеризуются высокой показатель преломления (n ~ 1,8), значение которого снова зависит от состава и сшивающих веществ.[18]

Приложения

Сополимеры с высоким содержанием серы, полученные путем обратной вулканизации, могут применяться во многих областях техники благодаря простому процессу синтеза и их термопластичности.

Литий-серные батареи

Этот новый способ обработки серы был использован для катод подготовка к длительному циклу литий-серные батареи. Такие электрохимические системы характеризуются большей плотностью энергии, чем коммерческие. Литий-ионные аккумуляторы, но они нестабильны для длительного срока службы. Simmonds et al.[19] впервые продемонстрировал улучшенное сохранение емкости в течение более 500 циклов с сополимером обратной вулканизации, подавляя типичное снижение емкости серо-полимерных композитов. Действительно, поли (сера-статистический 1,3-диизопропенилбензол), кратко определяемый как поли (Sr-DIB), показал более высокую гомогенность состава по сравнению с другими катодными материалами, вместе с большим удерживанием серы и улучшенным регулированием полисульфидов. вариации громкости. Эти преимущества позволили собрать стабильный и прочный Li-S аккумулятор. После этого другие сополимеры путем обратной вулканизации были синтезированы и протестированы внутри этих электрохимических устройств, что снова обеспечило исключительную стабильность во время циклов.

Характеристики батареи
КатодДатаИсточникУдельная мощность после цикла
Поли (сера-рандом-1,3-диизопропилбензол )2014Университет Аризоны[19]1005 мА⋅ч / г после 100 циклов (при 0,1 C)
Поли (сера-рандом-1,4-дифенилбутадиин )2015Университет Аризоны[2]800 мА⋅ч / г после 300 циклов (при 0,2 C)
Поли (сера-рандом-дивинилбензол )2016Университет Страны Басков[20]700 мА⋅ч / г после 500 циклов (при 0,25 C)
Поли (сера-рандом-диаллил дисульфид )2016Университет Страны Басков[21]616 мА⋅ч / г после 200 циклов (при 0,2 C)
Поли (сера-рандом-бисмалеимид -дивинилбензол)2016Стамбульский технический университет[22]400 мА⋅ч / г после 50 циклов (при 0,1 C)
Поли (сера-рандом-стирол )2017Университет Аризоны[6]485 мА⋅ч / г после 1000 циклов (при 0,2 C)

Чтобы преодолеть большой недостаток, связанный с низкой электропроводностью материала (1015–1016 Ом · см),[16] исследователи начали добавлять специальные частицы на основе углерода, чтобы увеличить перенос электронов внутри сополимера. Кроме того, такие углеродистые добавки улучшают удерживание полисульфидов на катоде за счет эффекта улавливания полисульфидов, повышая характеристики батареи. Примеры используемых наноструктуры длинные углеродные нанотрубки,[23] графен[11] и угольный лук.[24]

Захват ртути

Элемент сера химически совместим со многими металлическими катионы, формируя сульфиды или же сульфаты разновидность. Эта функция может использоваться для удаления токсичных металлов из почвы или воды. Однако чистая сера не может использоваться для изготовления функционального фильтра из-за ее низких механических свойств. Таким образом, обратная вулканизация была исследована для получения пористых материалов, в частности для Меркурий процесс захвата. Жидкий металл связывается с богатым серой сополимером, оставаясь большей частью внутри фильтра. Ртуть опасна для окружающей среды и очень токсична для человека, поэтому ее удаление является основополагающим.[25][26][27]

Инфракрасная передача

Полимеры мало используются для ИК-оптики из-за их низкого показателя преломления (n ~ 1,5–1,6); их низкая прозрачность по отношению к инфракрасному излучению ограничивает их использование в этом секторе. С другой стороны, неорганические материалы (n ~ 2-5) характеризуются высокой стоимостью и сложной технологичностью, что отрицательно сказывается на крупносерийном производстве.

Сополимеры с высоким содержанием серы, полученные методом обратной вулканизации, представляют собой прекрасную альтернативу благодаря простому производственному процессу, низкой стоимости реагентов и высокому показателю преломления. Как упоминалось ранее, последнее зависит от концентрации связей S-S, что приводит к возможности настройки оптических свойств материала путем простого изменения химического состава. Такая возможность изменения показателя преломления материала для соответствия требованиям конкретного применения делает эти сополимеры применимыми в военной, гражданской или медицинской областях.[28][29][30][31]

Другие

Обратный процесс вулканизации также может быть использован для синтеза Активированный уголь с узким распределением пор по размерам. Сополимер, богатый серой, действует здесь как шаблон, на котором производятся угли. Конечный материал легирован серой и имеет микропористую сетку и высокую селективность по газу. Следовательно, обратная вулканизация может также применяться в секторе разделения газов.[32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Чанг, У Джин; Грибель, Джаред Дж .; Ким, Юи Тэ; Юн, Хёнсик; Simmonds, Adam G .; Джи, Хён Джун; Дирлам, Филип Т .; Гласс, Ричард С .; Ви, Чон Джэ; Nguyen, Ngoc A .; Guralnick, Brett W .; Пак, Чонджин; Сомогии, Арпад; Теато, Патрик; Mackay, Michael E .; Сун, Юн-Ын; Чар, Кухон; Пьюн, Джеффри (14 апреля 2013 г.). «Использование элементарной серы в качестве альтернативного сырья для полимерных материалов». Химия природы. 5 (6): 518–524. Дои:10.1038 / NCHEM.1624. PMID  23695634.
  2. ^ а б c Дирлам, Филип Т .; Simmonds, Adam G .; Kleine, Tristan S .; Nguyen, Ngoc A .; Андерсон, Лаура Э .; Клевер, Адам О .; Флориан, Александр; Костанцо, Филип Дж .; Теато, Патрик; Mackay, Michael E .; Гласс, Ричард С .; Чар, Кухон; Пьюн, Джеффри (2015). «Обратная вулканизация элементарной серы 1,4-дифенилбутадином для катодных материалов в Li – S батареях». RSC Advances. 5 (31): 24718–24722. Дои:10.1039 / c5ra01188d.
  3. ^ Крокетт, Майкл П .; Evans, Austin M .; Уортингтон, Макс Дж. Х .; Альбукерке, Inês S .; Слэттери, Эшли Д .; Гибсон, Кристофер Т .; Кэмпбелл, Джонатан А .; Льюис, Дэвид А .; Bernardes, Gonçalo J. L .; Чалкер, Джастин М. (26 января 2016 г.). «Полисульфид серы и лимонена: материал, полностью синтезированный из промышленных побочных продуктов, и его использование для удаления токсичных металлов из воды и почвы». Angewandte Chemie International Edition. 55 (5): 1714–1718. Дои:10.1002 / anie.201508708. ЧВК  4755153. PMID  26481099.
  4. ^ а б Салман, Мохамед Халифа; Карабай, Барис; Карабай, Лютфие Канан; Циханер, Атилла (20 июля 2016 г.). «Полимерные материалы на основе элементарной серы: синтез и характеристика». Журнал прикладной науки о полимерах. 133 (28). Дои:10.1002 / app.43655.
  5. ^ Паркер, Д. Дж .; Jones, H.A .; Петчер, С .; Cervini, L .; Griffin, J.M .; Ахтар, Р .; Хаселл, Т. (2017). «Недорогие и возобновляемые полимеры серы путем обратной вулканизации и их потенциал для улавливания ртути» (PDF). Журнал химии материалов A. 5 (23): 11682–11692. Дои:10.1039 / C6TA09862B.
  6. ^ а б Чжан, Юэянь; Грибель, Джаред Дж .; Дирлам, Филип Т .; Nguyen, Ngoc A .; Гласс, Ричард С .; Mackay, Michael E .; Чар, Кухон; Пьюн, Джеффри (1 января 2017 г.). «Обратная вулканизация элементарной серы и стирола для полимерных катодов в Li-S батареях». Журнал науки о полимерах, часть A: химия полимеров. 55 (1): 107–116. Дои:10.1002 / pola.28266.
  7. ^ Берк, Хасан; Бальчи, Бурку; Эртан, Салих; Кая, Мурат; Циханер, Атилла (июнь 2019 г.). «Функционализированные сополимеры полисульфида с 4-винилпиридином путем обратной вулканизации». Материалы Today Communications. 19: 336–341. Дои:10.1016 / j.mtcomm.2019.02.014.
  8. ^ Omeir, Meera Y .; Wadi, Vijay S .; Альхассан, Саид М. (январь 2020 г.). «Обратные вулканизированные сополимеры серы и циклоалкена: влияние размера кольца и ненасыщенности на термические свойства». Письма о материалах. 259: 126887. Дои:10.1016 / j.matlet.2019.126887.
  9. ^ Смит, Джессика А .; У, Сяофэн; Берри, Нил Дж .; Хаселл, Том (15 августа 2018 г.). «Полимеры с высоким содержанием серы: влияние сшивающей структуры на обратную вулканизацию». Журнал науки о полимерах, часть A: химия полимеров. 56 (16): 1777–1781. Дои:10.1002 / pola.29067. ЧВК  6175008. PMID  30333680.
  10. ^ Арслан, Мустафа; Кишкан, Барис; Ягчи, Юсуф (22 января 2016 г.). «Объединение элементарной серы с полибензоксазинами посредством обратной вулканизации». Макромолекулы. 49 (3): 767–773. Дои:10.1021 / acs.macromol.5b02791.
  11. ^ а б Саху, Тухин Субхра; Чой, Синхо; Жомо, Полин; Чжан, Цзиньцян; Ван, Чэнъинь; Чжоу, Донг; Ван, Госю (апрель 2019 г.). «Полученный из сквалена богатый серой сополимер @ 3D сетчатый катод графен-углеродные нанотрубки для высокоэффективных литий-серных батарей». Многогранник. 162: 147–154. Дои:10.1016 / j.poly.2019.01.068.
  12. ^ Tikoalu, Alfrets D .; Lundquist, Николас A .; Чалкер, Джастин М. (13 февраля 2020 г.). «Сорбенты ртути, полученные путем обратной вулканизации устойчивых триглицеридов: структура растительного масла влияет на скорость удаления ртути из воды». Продвинутые устойчивые системы. 4 (3): 1900111. Дои:10.1002 / adsu.201900111.
  13. ^ Грибель, Джаред Дж .; Ли, Госин; Гласс, Ричард С .; Чар, Кухон; Пьюн, Джеффри (15 января 2015 г.). «Килограммовая обратная вулканизация элементарной серы для изготовления полимерных электродов большой емкости для Li-S батарей». Журнал науки о полимерах, часть A: химия полимеров. 53 (2): 173–177. Дои:10.1002 / pola.27314.
  14. ^ Бастиан, Эрнест Дж .; Мартин, Р. Брюс (апрель 1973 г.). «Спектры дисульфидных колебаний в области валентных колебаний сера-сера и углерод-сера». Журнал физической химии. 77 (9): 1129–1133. Дои:10.1021 / j100628a010.
  15. ^ Грибель, Джаред Дж .; Намнабат, Соха; Ким, Юи Тэ; Химмельхубер, Роланд; Moronta, Dominic H .; Чанг, У Джин; Simmonds, Adam G .; Ким, Кён-Джо; ван дер Лаан, Джон; Nguyen, Ngoc A .; Dereniak, Eustace L .; Mackay, Michael E .; Чар, Кухон; Гласс, Ричард С .; Норвуд, Роберт А .; Пьюн, Джеффри (май 2014 г.). «Новый материал, передающий инфракрасное излучение, путем обратной вулканизации элементарной серы для получения полимеров с высоким показателем преломления». Современные материалы. 26 (19): 3014–3018. Дои:10.1002 / adma.201305607. PMID  24659231.
  16. ^ а б Диез, Сергей; Хефлинг, Александр; Теато, Патрик; Пауэр, Вернер (15 февраля 2017 г.). «Механические и электрические свойства серосодержащих полимерных материалов, полученных методом обратной вулканизации». Полимеры. 9 (12): 59. Дои:10.3390 / polym9020059. ЧВК  6432436. PMID  30970741.
  17. ^ Чалкер, Джастин М .; Уортингтон, Макс Дж. Х .; Lundquist, Николас A .; Эсдейл, Луиза Дж. (20 мая 2019 г.). «Синтез и применение полимеров, полученных методом обратной вулканизации». Темы современной химии. 377 (3): 16. Дои:10.1007 / s41061-019-0242-7. PMID  31111247. S2CID  160013607.
  18. ^ Грибель, Джаред Дж .; Намнабат, Соха; Ким, Юи Тэ; Химмельхубер, Роланд; Moronta, Dominic H .; Чанг, У Джин; Simmonds, Adam G .; Ким, Кён-Джо; ван дер Лаан, Джон; Nguyen, Ngoc A .; Dereniak, Eustace L .; Mackay, Michael E .; Чар, Кухон; Гласс, Ричард С .; Норвуд, Роберт А .; Пьюн, Джеффри (май 2014 г.). «Новый материал, передающий инфракрасное излучение, путем обратной вулканизации элементарной серы для получения полимеров с высоким показателем преломления». Современные материалы. 26 (19): 3014–3018. Дои:10.1002 / adma.201305607. PMID  24659231.
  19. ^ а б Simmonds, Adam G .; Грибель, Джаред Дж .; Пак, Чонджин; Ким, Кви Рён; Чанг, У Джин; Олешко, Владимир П .; Ким, Дженни; Ким, Юи Тэ; Гласс, Ричард С .; Soles, Christopher L .; Сун, Юн-Ын; Чар, Кухон; Пьюн, Джеффри (20 февраля 2014 г.). «Обратная вулканизация элементарной серы для получения полимерных электродных материалов для Li – S батарей». Буквы макросов ACS. 3 (3): 229–232. Дои:10.1021 / mz400649w.
  20. ^ Гомес, Иньяки; Mecerreyes, Дэвид; Бласкес, Дж. Альберто; Леонет, Олатц; Бен Юсеф, Хичам; Ли, Чуньмэй; Гомес-Камер, Хуан Луис; Бондарчук Александр; Родригес-Мартинес, Лиде (октябрь 2016 г.). «Обратная вулканизация серы с дивинилбензолом: стабильный и простой в обработке катодный материал для литий-серных батарей». Журнал источников энергии. 329: 72–78. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2016.08.046.
  21. ^ Гомес, Иньяки; Леонет, Олатц; Бласкес, Дж. Альберто; Месеррейс, Дэвид (20 декабря 2016 г.). «Обратная вулканизация серы с использованием природных диенов в качестве экологически безопасных материалов для литий-серных батарей». ChemSusChem. 9 (24): 3419–3425. Дои:10.1002 / cssc.201601474. PMID  27910220.
  22. ^ Арслан, Мустафа; Кишкан, Барис; Дженгиз, Элиф Джейлан; Демир-Чакан, Резан; Ягчи, Юсуф (июль 2016 г.). «Обратная вулканизация бисмалеимида и дивинилбензола элементарной серой для литиево-серных батарей». Европейский Полимерный Журнал. 80: 70–77. Дои:10.1016 / j.eurpolymj.2016.05.007.
  23. ^ Tiwari, Vimal K .; Сон, Хёнджун; О, Ёнджэ; Чон, Ёнджин (март 2020 г.). «Синтез композитного катода сополимер серы / пористых длинных углеродных нанотрубок путем химического и физического связывания для высокоэффективных литий-серных батарей». Энергия. 195: 117034. Дои:10.1016 / j.energy.2020.117034.
  24. ^ Чоудхури, Сумядип; Шримук, Паттарачай; Раджу, Кумар; Толоса, Аура; Флейшманн, Саймон; Зейгер, Марко; Ozoemena, Kenneth I .; Борхардт, Ларс; Прессер, Волкер (2018). «Обратная вулканизация гибридных катодов из углеродного лука и серы для литий-серных батарей». Устойчивая энергетика и топливо. 2 (1): 133–146. Дои:10.1039 / c7se00452d.
  25. ^ Крокетт, Майкл П .; Evans, Austin M .; Уортингтон, Макс Дж. Х .; Альбукерке, Inês S .; Слэттери, Эшли Д .; Гибсон, Кристофер Т .; Кэмпбелл, Джонатан А .; Льюис, Дэвид А .; Bernardes, Gonçalo J. L .; Чалкер, Джастин М. (26 января 2016 г.). «Полисульфид серы и лимонена: материал, полностью синтезированный из промышленных побочных продуктов, и его использование для удаления токсичных металлов из воды и почвы». Angewandte Chemie International Edition. 55 (5): 1714–1718. Дои:10.1002 / anie.201508708. ЧВК  4755153. PMID  26481099.
  26. ^ Hasell, T .; Паркер, Д. Дж .; Jones, H.A .; McAllister, T .; Хоудл, С. М. (2016). «Пористые полимеры с обратной вулканизацией для улавливания ртути». Химические коммуникации. 52 (31): 5383–5386. Дои:10,1039 / c6cc00938g. PMID  26931278.
  27. ^ Паркер, Д. Дж .; Jones, H.A .; Петчер, С .; Cervini, L .; Griffin, J.M .; Ахтар, Р .; Хаселл, Т. (2017). «Недорогие и возобновляемые полимеры серы путем обратной вулканизации и их потенциал для улавливания ртути» (PDF). Журнал химии материалов A. 5 (23): 11682–11692. Дои:10.1039 / c6ta09862b.
  28. ^ Баумгартнер, Томас; Якле, Фридер (19 декабря 2017 г.). Стратегии основной группы в отношении функциональных гибридных материалов. Вайли. ISBN  9781119235972.
  29. ^ Грибель, Джаред Дж .; Намнабат, Соха; Ким, Юи Тэ; Химмельхубер, Роланд; Moronta, Dominic H .; Чанг, У Джин; Simmonds, Adam G .; Ким, Кён-Джо; ван дер Лаан, Джон; Nguyen, Ngoc A .; Dereniak, Eustace L .; Mackay, Michael E .; Чар, Кухон; Гласс, Ричард С .; Норвуд, Роберт А .; Пьюн, Джеффри (май 2014 г.). «Новый материал, передающий инфракрасное излучение, путем обратной вулканизации элементарной серы для получения полимеров с высоким показателем преломления». Современные материалы. 26 (19): 3014–3018. Дои:10.1002 / adma.201305607. PMID  24659231.
  30. ^ Грибель, Джаред Дж .; Nguyen, Ngoc A .; Намнабат, Соха; Андерсон, Лаура Э .; Гласс, Ричард С .; Норвуд, Роберт А .; Mackay, Michael E .; Чар, Кухон; Пьюн, Джеффри (16 августа 2015 г.). «Динамические ковалентные полимеры путем обратной вулканизации элементарной серы для лечебных инфракрасных оптических материалов». Буквы макросов ACS. 4 (9): 862–866. Дои:10.1021 / acsmacrolett.5b00502.
  31. ^ Kleine, Tristan S .; Nguyen, Ngoc A .; Андерсон, Лаура Э .; Намнабат, Соха; ЛаВилла, Эдвард А .; Showghi, Sasaan A .; Дирлам, Филип Т .; Arrington, Clay B .; Манчестер, Майкл С .; Швигерлинг, Джим; Гласс, Ричард С .; Чар, Кухон; Норвуд, Роберт А .; Mackay, Michael E .; Пьюн, Джеффри (23 сентября 2016 г.). «Сополимеры с высоким показателем преломления с улучшенными термомеханическими свойствами благодаря обратной вулканизации серы и 1,3,5-триизопропенилбензола». Буквы макросов ACS. 5 (10): 1152–1156. Дои:10.1021 / acsmacrolett.6b00602.
  32. ^ Медведь, Джозеф С .; МакГеттрик, Джеймс Д .; Паркин, Иван П .; Даннил, Чарльз У .; Хаселл, Том (сентябрь 2016 г.). «Пористые угли из полимеров обратной вулканизации». Микропористые и мезопористые материалы. 232: 189–195. Дои:10.1016 / j.micromeso.2016.06.021.

внешняя ссылка