基于苯二甲酸类配体构筑纳米尺度的金属有机杂化材料及其性能研究

Metal-organic materials (MOMs) show fascinating properties in many areas such as gas storage, catalysis, ion exchange or separation. However, metal- organic materials in the form of bulk crystal or powder don't always fulfill all specific needs. To solve this problem, MOMs are required to be miniaturized to the nanometer length scale, namely nanoscale metal-organic materials (NMOMs). We plan to synthesize NMOMs based on benzenedicarboxylic acids and its derivative ligands by using the strategies of emulsion polymerization or fast precipitation and so on, assisting with microwave or ultrasonic radiation. Reaction parameters such as temperature, concentration of reactant and type of surfactant will be regulated to gain NMOMs with different morphologies. And also the effects of these factors on the material assemble process and architecture will be discussed. Further, properties including optics, magnetism, and catalysis will be studied and correlation between structure and function will be developed. Potential applications of NMOMs in the fields of gas storage or catalysis will also be explored.

金属有机杂化材料(MOMs)在气体存储、催化、离子交换与分离等方面具有优异的性能。然而，在很多实际应用方面，以大块晶体或粉末形式存在的MOMs不能满足具体的应用需求。为了解决这个问题，需要将大块晶态或粉末形式的MOMs小型化至纳米尺度的金属有机杂化材料(NMOMs)。本项目拟基于苯二甲酸及其衍生物配体，通过乳液法、快速沉淀法等方法，辅以微波、超声等实验手段，并调控不同的反应条件合成具有不同形貌结构的NMOMs纳米材料；探索反应温度、表面活性剂种类、反应物浓度等实验参数对产物组装过程与形貌结构的影响，从分子水平上阐明NMOMs的组装机理，实现NMOMs材料结构与形态的可控生长；并进一步利用光谱、比表面分析仪等仪器手段研究NMOMs材料的光学、磁学、催化等性能，建立起结构参数与性能之间的联系，并进一步探索其在气体存储、催化等方面的应用。

相比于传统块体或粉末状态的金属有机杂化材料来说，纳米尺度的金属有机杂化材料具有更高的比表面积，在催化、传感、气体分离等方面表现出优异性，同时随尺寸降到纳米尺度后其在光学、电学、磁学、力学等方面也表现出独特的性质，因而引起了科学家的广泛关注。例如，美国西北大学的Mirkin C. A.课题组，西班牙纳米科学技术研究中心的Maspoch D.团队，中国国家纳米中心唐志勇教授课题组等都在这方面开展了广泛的研究工作。.在本项目执行期间，围绕课题内容，我们积极开展研究工作，迄今取得良好的研究成果。在项目研究初期阶段，经过文献调研及总结，我们选择含羧酸功能基团的有机配体，通过溶液法、水热法等实验方法研究了羧酸类配体与金属离子的自组装行为。在这段工作期间，我们得到了一系列结构新颖、性能优异的配合物。例如，我们基于5-叔丁基间苯二甲酸合成了一系列具有新颖的穿插结构的金属有机配合物，并研究了其在光降解方面的性能，相关研究结果发表在RSC Adv., J. Mol. Struct.等SCI期刊。在初期研究的基础上，我们选择具有刚性结构的苯甲酸系列配体，如对苯二甲酸、均苯三甲酸、2-氨基对苯二甲酸等进行纳米金属有机杂化材料的制备，通过快速沉淀法、溶剂热法、乳液法等方法得到了具有带状、纺锤状、片状、球状等形貌的金属有机杂化材料，并对系列产品进行了透射电镜、粉末X射线衍射、扫面电镜、红外光谱、紫外光谱等方面的表征，研究了不同的实验条件参数对产物形貌尺寸的影响规律，同时有针对性的测试研究了相关产品的催化性能、气体吸附及荧光性能等，进一步探索此类材料在催化降解、气体存储等方面的应用前景，部分成果已发表在Inorg. Chem. Commun.等SCI期刊。.通过以上工作，对金属有机杂化纳米材料的合成过程和组装规律、实验条件参数对形貌结构的影响规律等有比较深入的了解，为新的纳米材料的合成和形貌调控提供具有参考意义的实验依据。