水相稳定的金属有机骨架材料及其在选择性捕集二氧化碳中的应用

金属有机骨架材料是一类由金属离子以及有机配体连结而成的多孔晶体材料。这些材料具有高比表面积、高热稳定性、对不同气体有不同的吸附性能、且可功能化等优点，使之成为选择性捕集二氧化碳气体的理想材料。但是，目前已合成的大部分金属有机骨架材料在水相的稳定性亟待提高。而化石能源燃烧废气中含有6%左右的水汽，这些水汽使得金属有机骨架坍塌或者失去高吸附性能。在本项目中，我们将通过对无机次级构造单元的研究来设计、合成新型金属有机骨架材料，探索材料水相稳定性与次级构造单元结构之间的联系；并且我们将探索对晶体材料表面改性的方式，来提高晶体材料的水相稳定性。通过对材料的结构性能调控研究，评价材料在含水汽的混合气体中对二氧化碳的高选择性捕集能力，以及材料的可再生性能。

本课题按原定计划，研究金属有机骨架材料在水相中的稳定性，并研究其吸附和催化性质。我们第一次通过水分子的诱导，实现了金属有机骨架材料内金属及配体有序空缺的生成；并且通过晶体内的加成反应，利用新金属或新配体对有序空缺进行填补。将传统固相材料中缺陷、空缺的理论拓展至多孔晶体材料中，并以此为手段实现材料的多功能。我们进一步通过研究材料内活性金属位点的设计，发展了基于电极材料富氧及催化功能集成的电池体系，开拓了金属有机骨架材料在电化学上的应用。我们发现基于金属有机骨架材料的锂氧电池其放电比容量相对无金属有机骨架材料的参照体系有超过4倍的提升。课题同时研究了孔道内主客体尺寸的匹配效应，并将催化基元及手性基元引入金属有机骨架材料中。此研究拓展了材料组装过程中具有结构导向性、以及应用功能模块的基元库，进一步揭示了组装过程中各种驱动力及作用机制。. 项目负责人以通讯联系人或第一作者身份发表受本项目资助的研究论文9篇，包括J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Adv. Mater.(1篇)、CrystEngComm（4篇）、J. Colloid Interf. Sci.（1篇）；研究受到Angew. Chem. Int. Ed.上Review的大篇幅附图引用。已申请国内专利一项，培养研究生6名，受邀参加多次国际国内会议并作报告，项目负责人晋升为博士生导师。顺利完成了原定的研究目标和各项考核指标。