微纳米金属有机骨架材料的制备、形貌控制、自组装及应用

Size and shape-controlled synthesis and self-assembly of Metal-Organic Frameworks (MOFs) were largely neglected over the past two decades. Ability to deliberately access monodisperse nano- or micro-sized MOFs, with controlled size and morphology, offers prospective applications in catalysis, membranes, drug delivery and biomedical fields etc. Based on our previous works, the purpose of this research is to prepare highly uniform nano- or micro-sized functional MOFs with tunable morphologies, such as rod, cube, tube, and sphere etc, and also to fabricate their corresponding complex structures, e.g. core-shell, yolk-shell, janus, superlattice and hollow superstructures etc. Additionally, the formation mechanism, size and shape dependent properties, and potential applications in the fields of gas storage and separation, sensor and biomedical utilization will be investigated. This research will try to provide a general approach to prepare highly monodispersed nano- or micro-sized MOFs and its complex structure. More importantly, we can extend this synthetic strategy and methodic versatility for further development and synthesis of novel functional MOFs. The realization of these uniform nano- or micro-sized MOF building block crystals paves the way to new research opportunities for synthesis and self-assembly of MOF materials as well as their potential applications, including gas separation, heterogeneous catalysis, porous membranes, thin-film devices, biomedical imaging and biosensing, and controlled drug release etc.

近年来设计与合成多孔金属有机骨架材料(MOFs)成为无机化学领域的研究热点之一，但是对于微纳米尺寸MOFs材料的合成与应用研究相对较少。本项目拟在前期开创性工作的基础上，通过优化实验条件精确控制产物结构与形貌，得到尺寸均一、形貌可控的微纳米MOFs，并获得多种具有复杂结构和形貌的产物，如核-壳结构、空心结构、超晶格等。通过研究实验条件对产物结构和形貌的影响，揭示其生长机理和反应规律，同时探索其在气体分离与存储、荧光以及传感等领域中的应用。该项目旨在提供一种通用的、简单实用的制备微纳米MOFs的方法，为合成更多新型功能性的微纳米MOFs提供理论基础和经验规律。该研究对于探索和拓展MOFs的设计合成与应用起着至关重要的作用，有利于提高MOFs在环境、能源和医药等领域中的应用价值和前景，对于促进化学、材料、医药、环境和能源等领域的综合交叉和有机融合有着重要的学术意义。

微纳米MOFs由于其尺寸小、形貌可控，在催化、荧光标识和生物医药领域有着广泛的需求和应用前景，因此合成尺寸均一、形貌可控、以及具有复杂结构与形貌的微纳米MOF及其复合材料，成为近些年来MOFs研究领域的热点。本项目利用溶剂热法，通过优化实验条件精确控制产物结构与形貌，合成了一系列尺寸均一、形貌可控的微纳米MOFs，如Fe-MIL-88B，In-NDC-MOF 和Ga-soc-MOF等，同时得到了空心、核-壳以及三维超结构等具有复杂结构的产物。另外，创新性的利用液体-固体-溶液界面反应（LSS）这种方法，制备了尺寸均一的纳米HKUST和Fe-soc-MOF，并得到了具有核-壳结构的复合材料。LSS法的引入进一步丰富和拓宽了纳米MOF的制备方法和途径，为纳米MOF的制备提供了一种新的思路。同时，实验过程中，通过研究实验条件对产物结构和形貌的影响，深入探讨产物生长机理，总结反应规律，为合成更多新型功能性的微纳米MOFs材料提供了理论基础和经验规律，也为这一热点研究领域做出了重要贡献。最后探索了材料在气体分离与存储、荧光、传感和生物医药方面的应用，发现了一些有潜在应用前景的体系。本项目的顺利完成对于探索和拓展MOFs的设计合成与应用起着至关重要的作用，有利于提高MOFs在环境、能源和生物医药等领域中的应用价值和前景，对于促进化学、材料、医药、环境和能源等领域的综合交叉和有机融合有着重要的学术意义。相关研究成果以通讯作者在ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Mater.、Chem. Commun.、Chem. Eng. J.、Cryst. Growth Des.、Dalton Trans.、Chem. Asian J.、CrystEngComm等期刊上共发表SCI论文12篇。在本基金的资助下，申请人多次参加国内会议，并做了邀请报告或是口头报告，与同行专家进行了深入的交流。另外，项目执行期间，共引进了1名助理研究员和1名研究实习员，先后共有5名研究生参与到本项目中，培养硕士生1名，目前在读博士2人，在读硕士2人。