氢键有机骨架薄膜材料的构筑及其在光催化抗菌方面的应用

As a new disinfection technology, photocatalytic antibacterial technology has become an effective and cost-effective method to eliminate biological pollution. It is necessary to explore novel materials for photocatalytic antibacterium. Hydrogen-bonded organic frameworks (HOFs) possess some unique features, including high crystallinity, high surface area, tailored/predicable structure, and mild synthetic condition. Moreover, owing to the solution processability and easy regeneration, HOFs are particular suited for preparing thin film through simple, rapid and low-energy-consumptive solution process. Considering HOFs with photoactive moities have been proven to generate light-induced singlet oxygen which can effectively kill bacteria and thin films are good optional form for its easy-repeatability and high-efficiency, HOF thin films are promising materials for photocatalytic antibacterium. In this proposal, we are focusing on designing new HOF materials based on photoactive ligands, such as pyrene and porphyrin ligands, and exploring universal and controllable fabrication strategies of HOF thin films. A series of HOF thin films with high crystallinity, well homogeneity and smoothness, stability and good application prospect will be prepared through solution spraying process for conveniently large-scaled production. Furthermore, the application of thin films in photocatalytic antibacterium field will be explored and developed for the first time. Besides, the strategies for optimizing photocatalytic antibacterial activities of HOF thin films will be investigated and the best method will be applied for fabrication of them. Finally, this project will publish 3-5 articles and 1 review, apply for 2-3 patents.

氢键有机骨架材料（简称HOFs）由于高比表面积、合成条件温和、可溶液加工性和易再生性的特点，很适合通过简单、快速且低耗能的溶液过程来制备薄膜材料。考虑到含有光活性基元的HOFs材料已被证明可以在光照条件下产生单线态氧（单线态氧可以高效的杀灭病原体），而薄膜材料也由于其易于重复利用和高效的特性而被广泛应用，HOF薄膜材料是一种很有前景的光催化抗菌材料。在这个项目中，申请人将重点设计并构筑由光活性配体（如：芘和卟啉）组成的HOFs材料，探索通用且可控的HOF薄膜材料制备策略。申请人将通过方便大批量生产的空气喷涂法制备一系列结构稳定、结晶度好、均匀性和光滑度好、应用前景好的HOF薄膜材料。此外，申请人还将探索和开发HOF薄膜材料在光催化抗菌领域的应用，探究优化HOF薄膜材料光催化抗菌活性的策略。预计本项目将发表研究论文3-5篇，撰写综述性总结论文1篇，申请专利2-3件。

本项目利用具有多重氢键给受体和大共轭结构的四羧酸分子作为有机构筑单元，通过合理设计，成功构筑出一系列稳定的卟啉基氢键有机骨架材料，同时还开发出两种高效、简单、低成本、可扩展的通用合成策略，一种可以用来合成氢键有机骨架材料颗粒，另一种可以用来制备柔性氢键有机骨架薄膜材料。主要研究结果包含以下三个个方面：1.通过选择具有不同取代金属中心的卟啉分子作为代表性构筑单元，研究了金属化对合成氢键有机骨架材料的结构及稳定性的影响。通过相同的制备方法作者可以得到同拓扑的无金属卟啉或金属卟啉基的氢键有机骨架材料，而且后者的稳定性得到了极大的提升。理论计算说明金属卟啉基氢键有机骨架材料相对较高的层间非共价相互作用是提高材料稳定性的关键因素。随后，作者探究了不同金属卟啉基同构氢键有机骨架材料的光催化活性，证明钴卟啉氢键有机骨架具有最高效的电荷转移和分离效率，因而具有最高的光催化活性。作者的构筑策略和发现指导并促进了稳定的功能氢键有机骨架材料的构建，进一步丰富了结构的多样性、拓宽了该类材料的应用范围；2. 基于网状化学，开发出了一种高效、简单、低成本、可扩展的机械合成通用策略，合成了多例基于不同几何形状、连通性和功能的构筑单元构筑的氢键有机骨架材料，并利用一锅法合成了一系列具有明显不同一氧化碳氧化活性的Pd@HOF复合材料，利用原位实验揭示了多孔基质对催化性能的重要作用；3. 作者开发出了一种简单的界面聚合策略来制备含有氢键有机骨架材料PFC-1的柔性纳米复合薄膜材料。该薄膜材料表现出超高的水通量和优秀的染料分子分离能力，并表现出长程稳定性。该研究拓展了该类薄膜材料的制备策略，开拓了其在液相分离方面的应用。