高效气体存储与分离Al-MOFs材料的制备

Metal-organic frameworks (MOFs) as an emerging class of porous materials display potential applications in gas storage and separation. This project will focus on the construction of polynuclear Al-based MOFs and exploration of their potential applications in the fields of energy and environment. According to the theory of crystal engineering, a series of novel MOFs with desired topology can be constructed by assembly of polynuclear Al precursors and the multi-carboxylate organic ligands. The adsorption and separation properties of the Al-based MOFs can be modulated by changing the pore size and framework structure, as well as modifying functional groups of the ligands. The adsorption capacity of energy gas methane and greenhouse gas carbon dioxide will be investigated subsequently. On the basis of the systematic study, the rule and relationship of synthesis-structure-property to guide the preparation of polynuclear Al-based MOFs with excellent adsorption and separation performance will be summarized, which will provide a basis for promoting their practical applications.

配位聚合物多孔材料在气体存储与分离方面具有重要应用前景。本项目针对在能源和环境领域中具有潜在应用价值的多核铝配位聚合物材料开展研究，运用晶体工程学原理，设计合成含有多核金属铝簇的前驱体，进而与不同类型的多齿羧酸类配体进行组装，构筑具有预期拓扑结构的配位聚合物材料；通过调变配体构型和尺寸及后修饰官能团等方法调控铝配位聚合物材料的孔道结构，提高材料对能源气体甲烷的存储能力以及对温室气体二氧化碳的捕捉能力。在系统研究基础上，总结合成-结构-性能的关联规律，开发具有高效气体存储与分离性能的铝配位聚合物材料，为推动其实际应用提供基础。

配位聚合物多孔材料在气体存储与分离方面具有重要应用前景。在本项目的研究工作中，我们利用不同的合成策略，以多核金属铝簇，以及铟簇、锆簇等金属簇为结构基元，与有机配体或官能团修饰的有机配体自组装构筑了一系列多核金属簇基有机骨架材料，并对其二氧化碳捕获，氮气、氧气、甲烷、乙烷、丙烷等气体吸附与分离性能进行了深入研究。取得的主要结果如下：（1）撰写了题为“基于3p族金属元素MOFs材料的结构自组装”的综合评述，为设计合成具有某些特定性质的Al、Ga、In-MOFs材料提供重要的参考价值。（2）通过4+4合成策略，构筑了具有类沸石GIS拓扑结构的In-ZMOF材料，其他所有具有GIS拓扑的ZMOFs材料相比该材料展现出了优异的二氧化碳捕获能力。（3）借助配体导向合成策略制备了基于单核/三核铟混合结构基元的金属有机骨架材料，该材料的报道对MOFs功能化位点的设计合成及酸碱协同催化提供了重要参考价值。（4）利用杂合配体中N和骨架金属间较强的配位健以及羧酸基团的灵活配位模式，构筑了三个同构的稳定MOFs材料，并探究了不同金属中心对结构和性能的影响，这三个化合物均展现出优异的氧气/氮气的分离性能。（5）利用锆簇与两种V型配体成功合成了两种新型的Zr-MOFs材料，通过改变配体上的特征官能团，Zr-OBBA展现了显著的丙烷/甲烷分离能力；Zr-SDBA则表现出优异的乙炔吸附能力和出色的乙炔甲烷分离能力。研究工作在国际期刊上发表了SCI检索论文12篇，已培养博士研究生3人，硕士研究生1人。