新型柔性金属有机框架材料的构筑及其动态行为与性能调控

In recent years, metal-organic frameworks (MOFs) have become one of active and frontier fields of chemistry and material science. During the past decades, the investigation in this field has primarily focused on the rigid MOFs, while the study of flexible MOFs is still rare, leaving many scientific issues to be resolved, such as the function-oriented construction of flexible MOFs; the dynamic structure of flexible frameworks as well as the characterization of their dynamic behaviors; and the intrinsic relationship between the dynamic structures and resulting properties of this class of materials. Focusing on these scientific issues and oriented by the aim of achieving effective material storage and dynamic separation, this project will proceed with the reasonable design and construction of flexible MOFs, along with the exploration of their fundamental assembly rules. Through establishing and improving the characterization methods for the dynamic structures and behaviors of such flexible MOFs, this project will then discover the mechanism of their dynamic behaviors and unravel the nature of the resulting unique properties as well as the implicit regularity, followed by further investigation of their material storage and separation functions to reveal the intrinsic structure-property relationship. On this basis, this project eventually aims to explore the functional optimization and practicalization of this class of flexible MOF materials. Finally, we hope to promote and lead the development of this field through the execution of this project together with the resolvement of related scientific problems.

近年来，金属有机框架(MOFs)材料已成为化学与材料科学等交叉研究领域的前沿与热点之一，但过去的研究主要集中在刚性MOFs材料方面，对柔性MOFs的研究则相对较少，这方面研究还存在很多重要的科学问题亟待解决，如：功能导向的柔性MOFs材料的构筑问题；柔性框架材料的动态结构及其动态行为的表征问题；以及此类材料的性能与其动态结构之间的关系问题等等。本项目将围绕这些重要科学问题，以高效物质存储与动态分离等功能为导向，从柔性MOFs的合理设计与构筑出发，研究此类柔性框架材料的构筑规律，建立和完善此类柔性材料动态结构与行为的表征方法，探讨柔性框架材料动态行为的机理，揭示此类材料产生特殊性能的原因，总结其中的规律性，进一步探索其物质存储与分离性能，揭示结构性能关系等。在此基础上，探索此类柔性框架材料的功能优化与实用化。希望通过本项目的实施及相关科学问题的初步解决，为本领域的发展起到引领及推动作用。

金属-有机框架（MOFs）因基于配位键的无机-有机杂化组成和长程有序晶态特性而展现出独特性质，是近年来化学、材料领域研究的重点。在众多的MOF研究方向中，柔性MOF的研究是备受关注同时具有挑战性的方向之一，其刺激响应结构和可变的物理、化学性质使其在识别检测、存储分离等方面展现出独特的优势，具有良好的应用前景。因此，深入开展柔性MOF研究具有重要的科学意义。.在本项目的研究中，我们针对柔性MOFs材料的定向构筑和动态行为调控问题，在材料设计与构筑、结构表征和动态行为研究、动态行为相关性质研究、结构性能调控和结构性能关系研究等方面开展了深入系统的研究工作。通过本项目的研究，我们提出了通过MOF中超分子作用构筑动态MOF的新策略，构筑了系列具有独特结构柔性和动态行为的MOF材料，发展了相应的柔性结构和动态行为调控方法；针对柔性MOF的表征和动态行为研究问题，自主搭建了原位环境粉末衍射（XRD）测试系统，实现了直接而高效的柔性MOF识别及动态行为表征；基于所获得的MOF的柔性结构和动态行为特性研究了相关材料在识别检测、吸附分离等方面的性质，并阐明了结构柔性与动态行为与MOF性质间的联系。.项目成果在JACS, Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊发表论文141篇（IF>10论文22篇），申请专利21项，7项已授权。研究成果被国际同行在Science, Nat. Commun.等顶尖期刊引用评述，部分成果获2018年度天津市自然科学特等奖。项目工作同时促进了研究团队的国际交流与合作，提升了团队的研究实力，培养了一批博士后、研究生等专业人才。总体上，项目成果为功能导向的柔性MOFs材料的设计、定向构筑及性能调控等问题的解决提供了科学依据，对推动相关领域的发展具有重要作用，实现了项目预期的研究目标。