同步辐射方法原位研究光功能钪/钇基金属有机骨架材料的构效关系及荧光传感机理

In recent years, the design and synthesis of metal organic frameworks (MOFs) and the study of its properties are hot topics, but the law of the structure-property relationship of MOFs is still lack of systematic study. Therefore, it is very significant to develop in situ, real time and micro area structure measurement techniques to characterize the properties of MOFs. The project intends to synthesize a series of porous metal organic framework crystal material under hydrothermal/solvothermal conditions by using amide modified aromatic carboxylic acid ligands and rare earth metal Y(III) and Sc (III), and using XAFS technology to characterize local fine structure and metal ion species of the MOFs materials, and gaining the law of structure- fluorescent property relationship through the change of reaction conditions, metal ions and organic ligands and other factors. Furthermore, to investigate the changes of coordination structure in the active sites and chemical environment in the process of metal ions and high explosive detection by using in situ XAFS technology, and to gain the mechanism of detection of heavy metals and high explosives. The research results will provide a theoretical basis and technical support for the design and preparation of new fluorescent MOFs materials to detect metal ions and high explosives.

近年来金属有机骨架晶态材料的设计合成及性能研究是热点，但其结构与性能构效关系的系统研究还缺乏规律性的认识。因此，发展原位、实时、微区结构的测量技术，表征金属有机骨架晶态材料的相关性能非常有意义。本项目拟研究酰胺修饰的芳香羧酸配体与稀土金属Y(III)和Sc(III)在水热/溶剂热条件下构筑一系列多孔金属有机骨架晶态材料，利用同步辐射XAFS技术表征MOFs材料的局域精细结构和金属离子形态，通过改变反应条件、金属离子和有机配体等因素研究荧光性能与MOFs结构之间的关联规律，进一步，利用同步辐射XAFS技术原位研究荧光MOFs材料在检测重金属离子和爆炸物分子过程中活性位点的配位结构和化学环境变化，探索荧光猝灭与检测重金属离子和爆炸物分子的变化规律，为设计、制备新型荧光MOFs材料用于重金属离子和爆炸物分子检测提供理论和技术基础。

化学传感是荧光功能MOFs材料重要的应用之一，可以检测离子、有机小分子和爆炸物分子。检测过程中可能引起MOFs材料有机配体排列方式、金属离子配位环境、以及孔表面性质的变化，但目前还缺乏荧光传感机理规律性的认识。因此，发展荧光功能MOFs材料的探测与表征新方法，发展原位、实时、微区结构的测量技术，研究金属有机骨架晶态材料的荧光传感机理非常有意义。已开展的主要研究内容为：1）基于固体核磁技术从分子水平研究荧光功能Sc2(NH2-BDC)3晶态材料检测重金属离子的敏感机制，发现制备的Sc2(NH2-BDC)3晶体在晶体结构上存在缺陷钪羟基，这些羟基倾向于与Co2+和Ni2+离子作用，导致荧光猝灭的敏感机理；2）基于固体核磁技术从分子水平研究荧光功能Sc2(NH2-BDC)3晶态材料检测有机小分子的敏感机理；3）荧光功能钇基金属有机骨架材料（MOF-1114(Y)）检测重金属离子及其机理研究；4）联苯四羧酸与含氮辅助配体构建钇基MOFs晶态材料：结构调控、荧光性质及其构效关系研究；5）强磁场条件下荧光功能金属有机骨架晶态材料的结构-功能关系研究。本项目研究紧紧围绕“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”重大研究计划2016年度项目指南总体目标，开展具有重大科学意义和应用前景的功能晶态材料的设计、制备、表征和应用探索研究，充分发挥多学科交叉的优势，利用国家大科学装置表征晶态金属有机骨架材料、研究其结构与性能的关联规律、从分子层面探索其检测重金属和有机小分子的机理。