功能导向金属-有机框架材料的结构设计及其光催化性能

本项目针对半导体光催化技术存在光量子效率低、太阳光利用率低等瓶颈问题，考虑到金属-有机框架材料（MOFs）具有结构可设计性、宽光谱响应性、能级结构可调控性和高孔隙率等优势，从有机功能基块和骨架节点的结构设计出发，用宽光谱响应的有机共轭基块连接能带电位和带隙适当的金属节点定向合成具有功能导向的MOFs光催化材料，从理论和实验相结合的角度系统研究有机共轭基块和骨架节点对MOFs材料的能带结构、带隙能、晶体结构、孔隙率、光吸收性、光谱响应性和光催化性能的影响规律，以印染工业废水中代表性有机污染物的光催化降解反应为探针，研究MOFs材料的光催化反应动力学，揭示材料带隙能、结构与光催化活性之间的内在关联，阐明MOFs光催化反应机理，建立理论模型，总结其中规律，研制出高效可见光响应MOFs光催化材料，推进MOFs光催化材料的研究进程，丰富超分子化学、配位化学、结构化学和材料化学的研究内容。

本项目针对半导体光催化技术存在光量子效率低、太阳光利用率低等瓶颈问题，主要利用金属-有机框架材料（MOFs）具有结构可设计性、宽的光谱响应范围、可调控的能带结构和高比表面积等优势，设计合成了共轭三、四和五羧酸、唑类和富N/O类等三大类宽光谱响应有机共轭基块，结合密度泛函理论(DFT)和测试表征，研究了上述基块的物理性质、结构、共轭性、电子效应、电荷布居、光谱性质等，预测了其可能的反应条件和配位能力；进而以其为构筑基块、能带电位和带隙适当的金属离子（金属簇）为节点，采用水热、离子液等方法构筑了100余种金属有机框架材料；采用单晶测试、红外、紫外漫反射光谱、粉末衍射、光电子能谱、荧光和热重等手段研究了所得材料的晶体结构、能带结构、带隙能、光物理性质，同时以印染工业废水中代表性有机污染物的光催化降解反应为探针，研究了上述材料的光催化反应动力学；根据实验结果，探讨了有机共轭基块、骨架节点等对所获材料的能带结构、带隙能、晶体结构、孔隙率、光物理性质、光催化性能等的影响规律，探索了材料带隙能、结构与光催化活性之间的内在关联，筛选出了三类具有较高光催化性能的金属有机框架材料，研究了光催化反应机理，总结了其中规律，此外还要研究了部分所获金属有机框架材料的荧光、磁学和气体储存性能；其次，以部分金属有机框架材料为敏化剂，研究了其敏化TiO2可见光催化降解有机污染物的反应动力学，获得了一些规律性结论；所获结果为进一步拓展金属有机框架材料的应用新功能积累了可靠的实验数据，丰富了配位化学、结构化学和材料化学的研究内容。项目执行期间在Coord.Chem.Rev.、J. Mater.Chem.、Inorg.Chem.、Cryst.Growth Des.、Dalton、CrystEngComm等期刊发表SCI收录论文34篇，其中IF>3.5的13篇，获湖北省自然科学二等奖1项；参加国内学术会议20人次，邀请国内外专家交流6人次，培养青年学术带头人及骨干3人、博士研究生3人、硕士研究生13人，引进青年学术骨干2人；对三峡大学化学及材料学科的发展起到了积极的推动作用。