柱芳烃超分子有机骨架膜的构筑及其对空气污染物的吸附分离研究

Air pollution has become one of the most severe threats that humans are facing nowadays. Compared with the conventional covalent organic frameworks, pillar[n]arene-based supramolecular organic frameworks (SOFs) not only show synthetic diversification and low density properties, but also exhibit advantages of high solution-processability, facile preparation and flexible modification, excellent selective sorption properties as well as controllable assembly, which have extensive application prospects in sorption and separation of air pollutants. However, at present only preliminary progress has been made for pillar[n]arene-based SOFs, and there are still many problems to be solved, including: (a) only limited air pollutants' sorption and separation properties have been studied; (b) membranes of pillar[n]arene-based SOFs for air pollutants separations have not been fabricated; (c) adsorption and separation mechanism is still not clear. The present project aims to construct novel membranes of pillar[n]arene-based SOFs, and investigate the influence of cavity size, polarity, molecular size and structure of pillar[n]arenes on SOFs' structure and properties. The selective sorption and separation performance of air pollutants for these pillar[n]arene-based SOFs will be thoroughly investigated to obtain membranes of pillar[n]arene-based SOFs with excellent adsorption, separation and sensing performance, and further clarify the adsorption and separation mechanism. This project is expected to provide important technical support to the construction and application of pillar[n]arene-based SOFs' membranes.

空气污染已经成为人类面临的最严重的威胁之一。柱芳烃超分子有机骨架材料（SOFs）不仅具有传统共价有机骨架材料的合成多样性、质量密度小等优点，而且具有合成简便、易溶解加工、易功能修饰、吸附选择性好、组装可控等优点，在空气污染物的吸附和分离方面具有广泛的应用前景。虽然目前该类材料的相关研究已经取得了初步进展，但仍有很多关键的问题亟待解决，如：对空气污染物的吸附分离性质的研究尚不全面、基于该类材料的多孔分离膜的研究较少、对该类骨架材料吸附气体的机理还不清晰。本项目拟从构筑新型柱芳烃SOFs入手，系统的探究柱芳烃空腔大小、极性、分子体积与结构等对SOFs结构和性能的影响，揭示SOFs结构与其对空气中污染物的吸附性能之间的构效关系，得到具有优异的吸附分离性能和灵敏的吸附传感指示性能的柱芳烃SOFs的膜材料，阐明吸附分离机制。本项目有望为新型柱芳烃SOFs膜材料的构筑及应用开发提供重要的技术支撑。

柱芳烃超分子有机骨架材料（SOFs）具有易溶解加工、易功能修饰、吸附选择性好、组装可控等优点，在吸附和分离方面具有广泛的应用前景。目前该类材料仍有很多关键的问题亟待解决，如：其多孔分离膜的研究不完善、吸附分离机理还不清晰。因此，本项目针对以上问题，围绕新型柱芳烃SOFs的构筑、多功能膜及其性能开发、结构与吸附分离性能之间的关系分析等方面展开了研究，主要取得的创新工作与成果包括：.（1）合成出了一系列具有不同结构和孔道的柱芳烃超分子有机骨架材料，研究了它们晶体结构、孔道大小、稳定作用力、孔道的化学环境，揭示出了其形成机理，阐明了吸附分离性能与结构之间的关系，孔道大小、形状、连通性和化学环境对气体吸附性能有很大影响。因此依据于此设计制备出了分子陷阱，实现了二氧化碳的高选择性捕获。.（2）利用超分子大环与金纳米团簇（AuNCs）表面配体的超分子主客体作用，组装得到基于大环的荧光增强型金纳米团簇复合材料。利用超分子自组装诱导金纳米团簇聚集发光增强的原理，一方面通过超分子自组装诱导AuNCs聚集荧光增强，限制分子内运动；另外一方面调控表面原子比例和电子结构，可以明显提高和调控AuNCs的荧光性质与催化性能。该方法工艺简单、反应条件温和、能耗低、普适性强、易于规模化推广应用。.（3）利用柱芳烃超分子有机多孔材料制备了一种新型的超分子有机多孔膜，该膜对CO2/CH4和H2/CH4显示出很高的选择性。同时，我们首次尝试将大环/金纳米团簇发光复合材料引入到膜材料中，并且用于口罩性能的改性，使其具有荧光性能和抗菌性能。. 这些努力最终为超分子有机多孔材料的发展开辟了新的前景，为探索合成柱芳烃超分子有机多孔材料在烟气、天然气、沼气、合成气等气体分离方面的巨大潜力开辟了新的途径。在实际空气净化相关产品的改造中具有非常大的应用价值。通过上述创新工作本项目取得了较好的科研成果：三年间发表了4篇SCI文章，申请了发明专利3项，受邀在3个国际会议上的做邀请/分组报告。