金属-有机二维多孔材料的性能调控与应用

The novel properties of grahene have stimulated tremendous interests in two-dimensional (2D) systems. In 2011, a 2D FePc porous sheet was successfully synthesized [JACS 133, 1203 (2011)], which promotes 2D metal-organic porous framework to be a hot topic in the condensed matter physics as well as in materials chemistry. Based on our theoretical studies [JACS 133, 15113 (2011)], we will apply density functional theory combined with Monte Carlo method to study the band structure, magnetic coupling, catalysis ability, and absorption capacity of 2D metal organic porous framework with different metal atoms, conjunctions, and organic molecule units, or deposited on different substrates. The present project can help us to design 2D porous magnetic materials with high magnetic moments and anisotropy, to design high efficiency CO catalysis materials, and to explore the quantum modulation of substrates with different compositions and orentations, thus providing theoretical insights for experimental synthesis.

石墨烯的新奇物性引发了人们对二维结构体系的研究热潮。2011年人们成功地合成了铁-钛菁（Fe-Pc）二维多孔材料【JACS 133, 1203 (2011)】，从而使得金属-有机二维多孔材料成为目前凝聚态物理和材料化学研究的热点。本课题将在我们现有理论工作的基础上【JACS 133, 15113 (2011)】，采用密度泛函理论与蒙特卡罗相结合的方法，更进一步深入研究金属-有机二维多孔材料的性能调控，包括改变不同的金属原子、不同的连接体、不同的有机分子单元（钛菁或卟啉）、以及不同组分和不同取向的衬底对其电子能带结构、磁耦合、催化、吸附的调控和影响。本项目的开展有助于设计出具有高磁矩和强各向异性的二维多孔磁性材料；有助于设计出具有高效低成本的CO二维多孔催化材料；有助于探索不同组分和不同取向的衬底对二维多孔材料性能量子调控的规律性。从而为实验合成提供理论依据和技术支撑。

金属有机二维多孔材料是超越石墨烯， BN， MoS2 等常规二维材料的新体系。其主要特点是： 具有离散分布的金属离子和多孔性，而且易于合成，这为新型的磁性材料和催化及吸附材料提供了更大的选择空间。在基金委的资助下我们着重在以下四个方面开展了研究：（1）金属有机多孔材料的磁学特性，研究了不同的金属原子和不同的有机分子单元之间的不同的组合对磁性的影响，讨论了应力和表面修饰对磁耦合的调控；（2）金属有机多孔材料的催化特性。离散分布的金属离子为催化提供了独特的平台。在该项目中我们主要研究了对CO和CO2的电化学催化，发现了一些比常规金属表面更有效的催化体系； （3）储氢特性，多孔性和金属离子的离散分布为气体分子的吸附提供了特殊的环境， 我们研究了此类体系的储氢特性， 为新型氢能源材料提供了可能性； （4）基于易合成的特点，我们研究了由双金属原子所形成的新型金属-有机二维体系的电子结构和稳定性，这类体系具有一些单离子体系所不具备的新的特性，拓宽了金属-有机体系的结构和应用范围。这些研究不仅深化了对二维金属-有机结构的物理化学特性的认识和理解， 而且为实验的合成提供了有力的理论支撑。本项目共发表有标注的SCI学术论文26篇，目前已被引用350余次，产生了良好的国际影响。