面向化工分离的MOF复合材料的新概念、设计理论、定向设计与合成

Metal-organic frameworks (MOFs) have the advantages of rich functionality and designable structures; however, they are expensive with poor stability for most MOFs, limiting their industrial applications. A main route to solve this problem is to prepare MOF composites, which not only can solve this problem, but also can improve the performance of traditional materials. However, the investigations on this area are not systematic and lack of theoretical basis at the moment. Therefore, we raised this proposal to carry out a systematic study on this topic. The main research contents are: through the establishment of new concepts and new methods, as well as a combined computational and experimental study, the structure-property relationships for MOF@polymer, MOF@IL and MOF@IL@polymer will be revealed, as well as the main influencing factors, and new design theory will be proposed; furthermore, large-scale design and screening of materials for targeted separations will be performed to provide new structures, followed by experimental synthesis and property test. This project will propose a series of new concepts, develop the design theory for MOF composites and provide a variety of new high-performance materials, stimulating the development of chemical industrial separations and materials chemical engineering, as well as to improve the design quality of MOF composites to stimulate their applications in chemical industry.

MOF材料具有功能性强、结构可设计性等优势，但价格较高且多数稳定性较差，制约了其工业应用，解决该瓶颈的一个有效途径为制备MOF复合材料，既可降低成本，提高稳定性，又可发挥MOF的优势，提高传统材料的性能。但目前该方面的研究缺乏系统性和理论基础，因此本项目提出立项，以开展系统的研究。本项目主要研究内容：通过新概念/新方法的建立及系统的计算与实验研究，建立MOF@polymer、MOF@IL和MOF@IL@polymer三类MOF复合材料的构效关系，揭示影响材料性能的关键因素，发展与完善复合材料的设计理论；在此基础上，针对特定化工分离体系，进行系统的材料设计和筛选，获得高性能材料的结构；最终，实验合成相关的材料并进行性能测试。本项目将提出与建立系列新概念，发展与完善复合材料的设计理论和提供若干高性能新材料，促进化工分离与材料化工学科的发展，提高MOF复合材料的设计水平，并促进其应用。

新材料设计与制备为化工学科的重要研究方向之一。MOF材料具有功能性强、结构可设计性等优势，但价格较高且多数稳定性较差，制约了其工业应用，解决该瓶颈的一个有效途径为制备MOF复合材料，既可降低成本，提高稳定性，又可发挥MOF的优势，提高传统材料的性能。但目前该方面的研究缺乏系统性和理论基础，因此本项目提出立项，希望通过概念与方法创新，提高MOF复合材料的设计水平，促进其应用。.本项目的主要研究内容、成果及意义为：.1、建立了MOF及其复合材料的基因组学设计方法，包括基因库、材料结构数据库、材料高通量构筑与性能筛选方法。形成具有自主知识产权的计算机软件2件，并获得国家版权局原始取得软件著作权。相关的数据库与软件实现了网上公开，免费供国内外科研人员使用。目前，已有国内外30余高校和科研院所使用我们的软件和数据库，促进了材料基因组学在我国的发展，并提高了MOF复合材料的设计效率；.2、系统地进行了MOF及MOF@IL等复合材料的构效关系研究，针对重要化工分离体系，设计与制备了系列高性能MOF复合材料；.3、系统地进行了MOF@polymer和MOF@IL@polymer混合基质膜的设计和构效关系研究，获得了规律性的认识。针对烯烃/烷烃、CO2捕获等重要体系，设计并制备出了系列高性能膜材料，有望获得实际应用。. 经过5年的研究，本项目发表（包括已接受）学术论文81篇，部分成果发表在Nat. Commun., Adv. Mater., AIChE J., CEJ等刊物上；申请国家发明专利15件，其中已授权4件；编制具有自主知识产权的计算机软件2件，并获得国家版权局原始取得软件著作权；获石油化工联合会科技进步一等奖（基础研究）1项。