沸石咪唑酯骨架材料的纳米晶体可控合成及分离薄膜取向调控研究

有机金属骨架（MOFs）是目前多孔材料领域的研究热点。利用MOF材料构建功能薄膜，有望克服传统纳米多孔材料的局限，在智能分离膜、催化功能层、化学传感器以及先进纳米器件等领域取得突破。本项目选取高稳定性的沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）为研究对象，拟通过对ZIF材料晶化过程中热力学与动力学因素的调控，实现ZIF纳米晶体的形貌可控合成；利用二次生长路线，通过对晶种层取向度和晶种二次生长过程中各向异性生长速度的调变，实现对ZIF薄膜的取向控制；通过对ZIF分离膜的结构表征和性能测试，关联微观的孔道排布、取向方式与宏观的薄膜吸附、分离性能之间的构效关系。本项目的开展除了直接催生高性能ZIF分离膜取向合成技术的开发，还将带动ZIF系列纳米材料形貌控制研究的进展。相关成果将对其他系列MOF材料的薄膜化制备研究以及MOF材料在其他先进材料领域的应用起到十分重要的推动作用。

利用新型有机金属骨架材料（MOFs）构建功能薄膜，应用于智能分离膜、催化功能层、化学传感器以及先进纳米器件等，是目前分子筛薄膜领域的研究热点。本项目针对多晶分子筛薄膜的共性问题，开展了沸石型咪唑酯骨架材料系列材料（ZIFs）的可控合成和薄膜化制备研究。以ZIF-8，ZIF-78，和ZIF-108为典型研究对象，发展了ZIF纳米晶体形貌调控的实验方法，研究了ZIFs纳米粒子的气体吸附性能和液体吸附性能，开发了基于ZIF纳米粒子的混合基质膜，并对其分离性能进行了系统研究。结合理论计算、物理化学表征，和渗透传输性能的测定，探究了ZIFs纳米材料和分离薄膜的构效关系问题。通过细致的实验设计和深入的结构表征，我们首次发现ZIFs材料存在水热稳定性问题，这与之前的文献报道相悖。在此基础上，我们提出了改进ZIFs材料水热稳定性的策略和方法，为此类材料的实际应用奠定了基础。通过本项目实施产生的相关研究成果将极大丰富ZIFs系列纳米材料形貌控制的研究进展，显著促进ZIFs材料在分离薄膜领域的应用。此外，相关成果还将对其他系列MOF材料的薄膜化制备研究以及MOF材料在其他先进材料领域的应用起到十分重要的推动作用。本项目已发表标有基金资助号的期刊论文5篇，其中一篇作为后封面发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上，一篇作为后封面发表在Chem. Commun.杂志上；发表会议论文5篇；申请中国专利2项，PCT专利1项；培养博士生2名。