金属有机框架材料的量化合成及其机械性能研究

Porous Metal-Organic Framework (MOF) materials have attracted considerable attention in the last two decades, due to their novel structures as well as their potential applications. So far, the application of MOF materials, however, is limited in the laboratory, even though they have shown advantages in many fields, such as high surface area and controllable structures. As far as the industrial application, there are two major restrictions: (1) Production cost. Most MOF materials were synthesized by hydro/solvothermal method, which needs long reaction times while with low yield; (2) Unknown mechanical property of MOF materials, which is decisive to the industrial manufacturing. In this project, we will apply Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) to synthesize MOF nano materials and MOF composite materials, which could enable us to continuously produce MOF materials to serve industrial applications and cut down the production cost. Meanwhile, we will systematically study the impact factors regarding to MOF mechanical property, which could provide more information to understand subtle relationship between structure and mechanical property, and also will help us to develop new MOF materials in the future.

具有孔道和空腔结构的金属有机框架材料(MOF)是近年来的一个研究热点。MOF材料具有比表面积大、分子结构可控等优势，在气体储存等方面有重要应用前景，但目前其应用仍局限在实验室中。这主要受限于以下两方面：（1）成本问题。现阶段主要依赖水热或溶剂热条件合成MOF材料，效率低，耗时长且成本高；（2）MOF材料的机械性能研究相对滞后。材料机械性能决定其工业加工难易程度和应用前景。本项目中，拟引入超声合成技术，降低其合成成本，尝试在实验室条件下实现连续量化合成单一/复合的MOF纳米材料；同时，在高压条件下，深入研究MOF材料机械性能，了解其结构与机械性能之间潜在关系，有望实现兼有稳定性和功能性的MOF材料的量化生产，为其大规模工业应用和器件化奠定基础。

具有孔道和空腔结构的金属有机框架材料(MOF)具有比表面积大、分子结构可控等优势，在气体储存等方面有重要应用前景，但目前其应用仍局限在实验室中。本项目着眼于MOF材料机械性能研究，试图解决MOF材料工业应用高成本和加工难问题。 通过本项目,在实验室搭建了两套超声高温喷雾合成装置，实现了部分MOF材料连续合成，为MOF量产打下基础。为了实现合成具备高机械稳定的MOF材料，与美国伊利诺伊大学香槟分校的Kenneth Suslick 和Dana Dlott教授合作，研究了MOF材料在冲击波及静态高压条件下的机械表现，利用美国阿贡国家实验室同步辐射光源，观测到在高压条件下配位化学键的断裂以及压缩过程中的通过发射荧光的能量转移现象。这一研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.和Chem. Sci.杂志上，并引起巨大效应。英国皇家学会Chemistry World以Cover Story进行了报道。美国著名MOF材料专家伯克利大学Jeffrey Long教授专门进行了评述，认为此工作开创了MOF材料作为能量吸收体的新方向。这一研究研究也证实了MOF材料具有潜在的国防应用前景。通过利用MOF材料结构特点，设计合成了一系列多羧酸配体，构筑具有接近介孔孔道的多孔MOF材料。利用设计配体的刚柔性（柔性臂，-CH2-， -O-等）和空间位阻（端基-CH3，-CH2CH3等）等调控，构筑MOF材料结构与机械性能关系网。利用不饱和配位模式，设计合成了一些列亚铜簇合物，通过溶解再结晶方式，在高温高压条件下发生结构转化。通过单晶X-射线对转变对前后结构进行了表征，研究了相应转化机制。这一研究对设计合成功能性配位聚合物提供了理论依据。同时利用构建的MOF材料展开了电池和抗癌研究的相关工作，都取得了一定进展。总之，本项目深入研究MOF材料机械性能，了解其结构与机械性能之间潜在关系，有望实现兼有稳定性和功能性的MOF材料的量化生产，为其大规模工业应用和器件化奠定基础。