功能多孔有机离子骨架材料：设计、合成与有毒分子吸附性能研究

Porous organic framework (POF) materials have attracted considered attention because of their low density, permanent porosity and high thermal and chemical stability. Host-guest interactions in POF materials are intensely important to elucidate the interaction mechanism between them at the molecular level, and explore their potential applications. Currently, the vastly reported studies of the interactions between guest molecule and POF are focused on energy molecules such as H2 and CH4, however, studies focused on the interactions between toxic molecule and POF are rare. In this project, with the aid of computational design, we will synthesize a series of functional porous organic ionic frameworks possessing high thermal and chemical stability, high surface area and tunable pore size by selecting suitable buliding units coupled by efficient reactions. For detailed investigation, direct characterization tools of adsorption measurements and solid-state NMR spectroscopy will be employed to investigate the interactions between toxic molecule and adsorption site in POF. The rules of host-guest interactions between toxic molecule and POF will be clarified and summarized, which will provide us guidance on the exploration of the selective adsorption of poisonous pollutants using POF materials. The results based on these future studies will provide theoretical and practical basis for realizing targeted design and adjustment of POF between its structure and functionality.

多孔有机骨架（POF）材料由于其轻质的骨架结构、持续的多孔性以及高的热化学稳定性等优势，成为当前多孔材料领域的研究热点。POF与小分子的主客体相互作用研究对从分子水平阐述两者间作用机理以及开发其应用至关重要。目前广泛研究的客体分子大多选用H2、CH4等能源分子，然而关于有毒分子与POF相互作用研究还缺乏深入系统了解。本项目拟在理论模拟指导下，将电荷片段和有机官能团同时引入聚合物骨架中，通过选择合适的构筑基元，利用高效偶联反应，定向制备系列具有高稳定性、高比表面积和可调孔径的功能多孔有机离子骨架材料。利用吸附法和固体核磁等表征手段系统研究POF对有毒分子（CO、NOx、TOVs等）的吸附机理，探索骨架中不同吸附位点（离子中心或功能化有机官能团）与有毒分子间相互作用规律，并将此规律用于指导POF对有毒污染物的选择性吸附研究，为实现POF材料结构与功能的定向设计和调控提供理论和实验基础。

近些年来，设计和合成新型的功能多孔有机骨架材料一直吸引着广大科学家们的研究兴趣，因为这些材料具有优异的热稳定性、高的比较面积以及可控的表面功能化所以被广泛的应用于气体存储、催化、荧光传感以及储能等领域。负责人通过理论模拟辅助结构设计，以多孔有机骨架材料的功能化为导向，选择合适构筑基元定向制备性能优异的功能多孔有机骨架材料。对材料的基本性质进行表征分析，包括样品形貌与尺寸、材料稳定性、局部结构、比表面积与孔径分布等。项目取得了重要的研究成果：1、将叔胺基团引入到聚合物骨架中，利用孔道可以吸附客体分子的特性，筛选出具有“呼吸”动态结构的多孔有机骨架材料可应用于环境污染中捕获以及存储放射性碘，并能多次循环使用，该方法也为制备新型固体吸附剂用于放射性元素富集提供了新的策略；2、将芘基团引入到聚合物骨架中，筛选出荧光多孔有机骨架材料对硝基苯、对硝基苯酚和对硝基氯苯显示出灵敏专一的检测性能，并制备出便携式荧光纸传感器，可以简便快速实时检测硝基爆炸物，在痕量检测方面展现出良好的应用前景；3、将特定氮原子掺杂以及柔性烷基侧链引入到聚合物骨架中，筛选出含氮多孔有机骨架材料，将其作为前驱体高温碳化后得到的多孔碳材料具有合适的孔结构、超微孔分布和理想形貌，非常适合代替传统材料应用于环境储能领域。负责人在项目执行期间作为通讯作者发表SCI论文4篇，包括：Nanoscale (1篇)，RSC Advances (1篇)，New Journal of Chemistry (1篇)，高等学校化学学报 (1篇)。申请发明专利6项，其中已有2项获得授权。以上研究结果为实现多孔有机骨架材料结构与功能的定向设计和调控提供了理论和实验基础。