基于结构设计的MOFs的孔洞调控及CO2的吸附和活化性能研究

Due to the fact of current critical environmental problem and lack energy, we explore new porous materials used in the carbon capture and storage (CCS)and activity which have been one of the hotspots in the field of chemical and materials research.The objective of this research is to construct metal organic framework materials based on carboxylic acids. The functional applications of such metal organic framework materials in carbon capture, storage, separation and activity(CO2/H2、CO2/N2、CO2/CH4）will be studied.The mechanisms of the size and shape of pores are revealed by studying on the many factors such as the ligand conformation, the numbers and position of function groups, framework interpenetration, metal ions/metal clusters. In order to investigate the interaction between MOFs with CO2, the Aliphatic amine can be introduced into the channels by virtue of the modification of MOFs. In addition,N-heterocyclic carbenes can be introduced into the channels to active the adsorptive CO2. The relationship between structure and property of MOFs can be revealed combined with the grand canonical ensemble Monte Carlo simulation method, all of which supply the experimetal and theoretical basis for finding the new materials of the gas adorption and separation and activity.

面对当前严峻的环境和能源短缺问题，探索新的多孔材料应用于二氧化碳的捕获和活化是化学与材料领域的研究热点之一。本课题以羧酸构筑金属有机框架材料为研究目标，研究此类金属有机框架材料对二氧化碳的捕捉、储存分离及活化等方面的功能应用。从结构分析出发，揭示配体骨架构型、官能团数量和空间位置、框架穿插、金属离子/金属簇种类等因素对孔洞大小和形貌的调控规律；同时采用脂肪胺修饰框架，研究官能团修饰MOFs对CO2吸附量和吸附选择性的影响；随着能源短缺问题日益严重，如何把大量的CO2转化为高附加值的产品，以达到一方面变废为宝，另一方面解决环境问题这个目标，探索在框架中引入氮杂环卡宾，研究MOFs对CO2的活化性能。结合巨正则系综蒙特卡罗模拟计算方法，阐明MOFs材料的孔结构性质与性能之间的构效关系，为寻找有效的气体储存分离和活化材料提供实验基础和理论依据。

CO2因具有温室效应而被普遍认为是导致气候变暖的主要原因之一，为实现CO2减排任务，进行CO2的捕获就显得特别重要。同时随着能源的短缺，CO2的资源化利用也是实现减排和解决能源问题的重要途径。本课题组多年来一直从事金属有机框架多孔材料的研究工作，在金属有机框架的制备及构效关系研究方面积累了较丰富的经验。本项目旨在采用配体修饰策略构筑金属有机框架，重点选取羧酸类配体为母体，在其骨架上修饰功能基团，增加框架与客体分子的作用力，提高其对气体的吸附、分离性能。.采用四类配体与过渡金属构筑金属有机框架，研究这类材料的稳定性和对气体存储/分离的性质，对于结构新颖和高孔隙率的化合物，通过热重及变温粉末衍射详细研究它们在不同温度条件下的热稳定性，通过气体吸附仪来检测此类化合物的比表面积以及对气体的存储/分离。阐明其结构并研究其气体吸附分离性能，阐明它们的孔径大小、孔道分布等因素与吸附性能的关系，实现MOFs的孔洞大小和形貌的可设计性、调节性及可修饰性，以达到吸附功能的高效性与选择性的统一、气体吸附量与脱附能耗的统一。.根据阶段性研究成果，通过进一步改进设计方案以调整配合物的结构，同时采用脂肪胺等修饰框架，研究官能团修饰MOFs对CO2吸附量和吸附选择性的影响，在框架中引入氮杂环卡宾，研究MOFs对CO2的活化性能，此外，选取结构稳定的MOFs进行芳香硝基化合物的加氢性能研究。.依托本项目，发表了12篇SCI论文。其中，Dalton Trans 2篇，Journal of Colloid and interface Science 1篇，Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 1篇，Polyhedron 2篇，Inorganic Chemistry Communications 1篇，Inorganica Chimica Acta 1篇，J Inorg Organomet Polym 4篇，申请发明专利2项。