金属有机骨架材料表面修饰高分子的新方法开发以及其对二氧化碳捕集性能影响的研究

As a new class of porous materials, metal-organic frameworks (MOFs) have shown great potential in gas storage, gas separation, catalysis, sensing and bio-medicine due to their rich structural diversity and tunability. As solid adsorbents, the adsorption behavior of MOFs is not only determined by their pore environment but also their surface chemistry. However, in contrast to numerous research efforts on modulating MOFs adsorption behavior through interior modification, only a handful of examples study the relationship between surface chemistry and adsorption properties. One of the reason is a lack of a universal and versatile surface modification method on MOFs. Here, we propose a concept to perform surface initiated controlled radical polymerization (SI-CRP) on a MOF surface based upon weak interactions. In contrast to a typical SI-CRP that relies on a permanent covalent anchoring of the initiator, this methodology, in principle, does not require MOFs to have specific functionality, therefore is potentially applicable to a wide range of MOF materials. Based on this method, we will control the thickness, functionality, and grafting density of the polymer coating and study their effect on the water stability and CO2 capture performance of the polymer@MOF composite materials thereby better understand the correlation between MOF surface chemistry and its macroscopic properties.

金属有机骨架材料（MOFs）由于其结构多样性以及高度可调性，在气体储存、分离、催化、传感等领域展现出广阔的应用前景。作为固体吸附剂，MOFs的吸附性能不但取决于孔道内部结构和化学环境，还和其表面性质密不可分。然而相比于孔道内改性，研究MOFs表面性质和它气体吸附行为之间联系的工作仍然较少。其原因之一为缺乏一种灵活且通用的MOFs表面修饰的方法。为此，我们提出了一种基于弱相互作用力的MOFs表面引发可控自由基聚合（SI-CRP）的思路，以获得高分子包裹的MOFs复合材料（Polymer@MOF）。相比于常规的基于共价键接枝的SI-CRP策略，该方法从原理上不要求MOFs具有特殊的官能团，因而具有潜在的普适性。基于该方法，我们将通过调控表面高分子层的厚度、官能团和接枝密度等参数，进一步研究它们对MOFs 水稳定性、二氧化碳捕获等性能的影响，从而阐释MOFs表面化学和宏观性质间的联系。

金属有机骨架材料（MOFs）由于其结构多样性以及高度可调性，在气体储存、分离、催化、传感等领域展现出广阔的应用前景。作为固体吸附剂，MOFs的吸附与分离性能不但取决于孔道内部结构和化学环境，还和其表面性质密不可分。通过对刚性的MOF表面修饰柔性的高分子不但可以结合软硬材料各自的特性，而且还可以利用表面高分子层的厚度、官能化来控制气体进出MOF的热力学和动力学行为。然而在本项目提出的初期，相比于孔道内改性，研究MOFs表面改性高分子的工作相对较少。同时，由于MOF种类繁多，鲜有能在各种MOF表面进行普适性修饰高分子的方法报道。. 本项目围绕着MOF@polymer这一具有壳核结构的复合材料进行研究，发展了一系列具有高度普适性的MOF@polymer的构建方法。期中包括：1）开发了基于弱相互作用力的MOF表面可控自由基聚合的方法；2）开发了基于共价连接的MOF表面生长聚酰亚胺高分子刷的方法；3）开发了基于物理缠结的MOF表面生长聚酰亚胺高分子刷的方法；4）利用大肠杆菌生物被膜连接MOF/polymer的界面。基于这些创新的MOF@polymer材料构建策略，本项目进一步将这类材料用于提升混合基质气体分离膜性能、提高MOF的化学稳定性、尺寸筛分催化以及制备多孔液体等应用领域，充分展现出了MOF@polymer的应用前景。