芯-壳结构金属-有机骨架磁性光催化材料的设计、可控制备及催化性能

Nanoporous metal-organic frameworks (MOFs) constructed from transition metal ions and polyfunctional organic ligands are a novel kind of porous crystalline materials developed rapidly in recent years. In this proposal, a novel class of magnetic porous core-shell structured MOF materials with tailored structures, designable functions, and tunable properties, as well as general strategies for designing and fabricating this type of magnetic porous materials, are proposed. We also hope to demonstrate the rational design of a new type of reusable photo-catalysts with excellent catalytic activities under visible light, on the basis of this kind of magnetic porous materials, by using the molecular design method, postsynthesis strategy, as well as some theoretical calculation results based on the first-principle method. After applying the as-prepared photocatalysts in various photo-catalyzed organic reactions systems and investigating magnetic separation,and reuse of the photocatalysts, we also expect to clarify photocatalytic mechanism in these systems, with the intention of illustrating the relationship between the catalytic properties and energy gaps of the MOF shell, pore size and shape, as well as thickness of the MOF shell. The prospective results obtained will be helpful for designing and constructing new classes of functionalized magnetic porous materials and high-performance photocatalysts.

纳米孔洞金属-有机骨架材料以过渡金属和多官能团有机配体为基本构件组装而成，是近年来得到迅速发展的一类多孔晶体材料。本项目拟采用分子设计思想和后合成等方法，在基于第一性原理理论计算指导下，探索一类基于金属-有机骨架的新型芯-壳结构磁性多孔光催化材料的设计及可控制备，以获得可见光条件下具有良好光催化性能和优异磁分离性能的易回收、可循环利用磁性多孔光催化材料体系，并将其应用于水体中有机污染物的光催化降解及多种有机光催化反应；系统考察其光催化性能、磁分离性能及其循环利用；明确光催化机理，阐明芯-壳结构中骨架壳层的能带结构、孔道形状与尺寸、壳层厚度等与其光催化性能间的内在联系等科学问题，为新型磁性多孔功能材料和可见光响应的新型高效光催化材料的开发提供有益的实验基础与理论指导。

纳米孔洞金属-有机骨架材料以过渡金属和多官能团有机配体为基本构件组装而成，是近年来得到迅速发展的一类多孔晶体材料。赋予纳米孔洞金属-有机骨架材料独特的磁响应性质等特殊性能，以金属-有机骨架材料为基础开发一类具有磁分离性质的新型磁性多孔材料等易回收、可循环利用材料，无疑将拓展纳米孔洞金属-有机骨架材料的应用范围并提升其工业化应用价值。本项目采用分子设计思想和后合成方法，在基于第一性原理理论计算指导下，探索了一系列基于金属-有机骨架的新型芯-壳结构的磁性多孔功能材料（Fe304@MIL-100(Fe)）的设计及可控制备，在可见光条件下具有优异光催化性能、和磁分离性能的易回收、可循环磁性多孔光催化材料体系，可以一定程度的提高苯甲醛与苯乙酮的转化、苯甲醇的氧化反应等有机光催化反应的反应速度和水体有机污染物（次甲基蓝(Ⅷ)、甲基橙）的光催化降解；系统考察了催化剂光催化性能、磁分离性能及其循环利用，明确了其光催化机理；阐明了芯-壳结构中骨架壳层的结构、孔道形状与尺寸、壳层厚度等对其应用性能的内在联系等科学问题。在此基础上，拓展了壳层材料，构建了Fe304@C/Cu、g-C3N4/Fe203、等芯-壳结构磁性光催化功能材料和Fe304@Tb-BTC、Fe3O4-Au@Tb-BTC、Fe304@ZIF-8、CS/Fe304/MIL-101等芯-壳结构磁性功能性吸附和荧光材料。基于易回收、可循环利用的设计思想，拓展了芯层材料，构建了具有显著SERs增强效应纳米线复合材料Ag@ZIF-8、Ag-Au@ZIF-8，解决了MOFs材料在SERs增强检测领域应用的科学问题。并以铜网为基底，构建具有Cu(OH)2/MOF、Cu/MOF纳米线阵列表面、优异的光电催化性能和超疏性能的的网状功能材料。项目以易回收、可循环利用为设计主线，构建了磁性纳米颗粒-纳米线型材料-网状纳米阵列纳米复合材料的新型芯-壳金属-有机骨架复合材料，解决了零维、一维、三维的、易回收、可循环利用芯-壳结构金属有机骨架复合材料的制备方法问题，为新型多孔功能材料的开发提供有益的实验基础与理论指导。