具有特定孔道结构的新型金属-有机骨架设计及其多功能复合效应研究

Metal-organic framework compounds represent one of the general hotspot frontiers in the research domains of chemistry, crystallography, and materials science. In this project, in virtue of the strategy and method of crystal engineering, we will directionally prepare a variety of metal-organic framework compounds with specific pore structures and different properties based on the design of several types of peculiar multidentate bridging ligands as the molecular tectons. The research will focus on the study of porosity (mainly including gas storage and separation, guest trapping and exchange, and controlled drug delivery etc) as well as the optical, magnetic, and catalytic properties for the targeting systems. On this basis of these results, the rational incorporation of porosity and other properties can be achieved through optimizing the functional tectons. The synergistic effect originated from the interplay of two or more physicochemical properties of the targeting materials, which may result in novel physical phenomena and potential applications, will be further explored. As a consequence, the rational regulation and optimization of the physicochemical properties for such materials and related molecular devices may be realized. This research aims to solve the key scientific problem of this realm and also promote the breakthrough from molecules to materials, which will make the original contribution for the development of multi-functional molecular-based materials.

金属-有机骨架化合物是当前化学、晶体学、材料科学等多个研究领域的共同热点前沿之一。本项目拟在前期工作的基础上，利用晶体工程的策略和方法，通过设计几类各具特色的多齿桥联配体作为分子构筑块，定向制备各种具有特定孔道结构和不同性质的金属-有机骨架化合物。重点进行目标体系在多孔性（主要包括气体存储与分离、客体捕获与交换、药物控释等）以及光、磁、催化性能方面的研究，阐明其结构与性能之间的内在关系，总结其中的规律性并探索此类材料可能的应用。在此基础上，通过优化现有功能模块将材料的多孔性与其它各种性质有机结合，并进一步探索目标材料两种或两种以上理化性能相互影响下的协同效应及其可能导致的新颖物理现象和潜在用途，进而实现此类材料及相关分子器件理化性能的合理调节和优化。本项目研究以解决本领域研究中的重要科学问题为基础宗旨，以推动从分子到材料的跨越为根本目标，有望为多功能分子基材料的发展做出原创性贡献。

金属-有机骨架（MOFs）是当前化学、晶体学、材料科学等多个研究领域的共同热点前沿之一。本项目利用晶体工程的策略和方法，通过设计几类各具特色的构筑基元，定向制备了多种具有特定孔道和不同性质的金属-有机骨架。系统研究了这些材料的多孔性（主要包括气体储存与分离以及客体捕获与交换）及光、电、催化性能，并阐明其结构与性能之间的内在关系。通过后修饰或者材料复合，对所设计的MOFs材料进一步功能化。重点探索了目标体系在光催化、电催化、荧光探针、电化学生物传感、阴离子污染物捕获等方面的应用。本项目所取得的重要结果主要包括：1)利用廉价的Cu(I)离子和联吡啶配体，制备了首例不依赖助催化剂且可自敏化的光催化MOFs材料，该材料同时具有易制备、高活性、高稳定性及可重复利用等优点，为开发简单低成本光催化裂解水制氢材料提供了新思路。2)通过在双金属CoNi-沸石咪唑骨架中嵌入MoS2纳米片制备了MoS2@CoNi-ZIF复合材料，该材料合成过程简单，稳定性高，各组分之间的协同作用使其具有优异的多功能催化性能，为新型多功能电催化剂的开发提供了新方法。3)建立了一步法策略构建MOFs基电化学传感器，其性能优于传统的两步法和三步法策略，可高效探测痕量癌胚抗原、凝血酶和卡那霉素，且具有良好的重复性、稳定性及可应用性，该策略可广泛应用于构建针对不同底物的MOFs基传感器。4)发展了原位共聚合策略，可有效地将具有预设活性基团的MOFs材料与有机高分子基质结合，形成键合型MOF-高分子复合材料，并具有加工性能，而复合材料的协同效应使其对于金属离子具有增强的检测性能，为制备便携式MOFs基荧光传感器提供了新思路。5)设计了一系列孔道可调的阴离子捕获MOFs材料，提出了三种不同的吸附交换机理，发现基于重组机理的MOFs材料可兼顾吸附效率及可重复利用的优势，为设计动态MOFs吸附材料提供一种通用策略，并促进了超高效阴离子捕获材料的开发。本项目为推动从分子到材料的跨越以及发展多功能分子基材料做出了贡献。已发表学术论文32篇，其中17篇发表在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A等国际知名刊物，SCI他引超过800次。