高稳定性锆基金属有机骨架化合物的功能化构建及CO2捕获性能研究

The global green-house effect caused by the great emission of CO2 makes the development of high-efficient materials for CO2 capture and separation more urgent. Metal-organic frameworks (MOFs), featured by their high surface area, large pore volume, capability of finely tuning their structures and inner environment, and as well as the advantages for CO2 storage and separation compared with other porous materials, have attracted great attentions. In recent years, how to design and synthesize an ideal material for CO2 capture by tailoring the structure of metal-organic frameworks gradually becomes a hot topic. Based on highly stable Zirconium-MOFs, this project is focused on the design and construction of highly stable mesoporous MOFs with high CO2 storage and separation capacity by iso-reticular synthesis with ligands elongated via amide groups. Meanwhile, through the systematical investigation on the effect of amide groups towards the balance between adsorption-selectivity and stability, it may provide experimental foundation and new concept for the design and synthesis of new materials with perfect performance in CO2 capture and separation.

由二氧化碳排放引起的全球性的温室效应，使得开发高效的二氧化碳捕获与分离材料是显得十分紧迫。金属有机骨架化合物以其高比表面积、大孔体积且结构和内部性质可精细调控的特征，以及相对于其他孔性材料在二氧化碳的存储与分离方面的优势正在受到研究者的极大关注。如何通过对金属有机骨架化合物进行结构调控获得最为理想的二氧化碳捕获材料，逐渐成为近年来的热门方向。本项目基于具有高稳定性的锆基金属有机骨架材料，拟通过酰胺键为基本单元延长配体尺寸，在同网格化学的指导下合成得到一系列具有高稳定性，高二氧化碳存储和分离性能的介孔金属有机骨架材料。同时，通过系统考察酰胺键逐步引入对吸附选择性能与稳定性之间的平衡关系的影响，为今后定向设计合成新型的高性能二氧化碳捕获与分离材料提供实验基础和思路。

金属有机骨架化合物(Metal-Organic Frameworks)，作为一类新兴的晶态多孔材料，以其结构的可设计性以及孔环境的可修饰性，已逐渐成为气体吸附和分离领域的热点材料，并为解决温室气体捕获问题提供了极大的可能性。本项目着眼于利用有机配体的可修饰性，对高稳定性的金属有机骨架材料进行功能化同网格构建，从而合成具有二氧化碳捕获等性能的材料。项目对多种构型的有机配体（线型，V型以及十字型）进行了功能团修饰（如酰氨基，甲基，氨基，羟基，四唑基团，羧基等），并将有机配体与锆以及铜离子进行溶剂热反应，最终获得了多个具有高比表面高稳定性的二氧化碳捕获材料。与此同时，通过这些材料的合成，还提出了多个具有广泛应用价值的金属有机骨架材料修饰和合成策略：1. 适用于柔性金属有机骨架材料的引入额外配位金属进行孔分割从而提高二氧化碳选择性的策略；2.以“6-氨基-2-甲酸萘”为基本单元延长配体的方法构建介孔金属有机骨架材料的策略；3.在不改变配体构成的情况下通过迁移配位基团位点的方法构建介孔金属有机骨架材料的策略；4.以无机簇结构单元对称性升级的方式进行同网格合成的策略。此外，项目还研究了高稳定性锆基金属有机骨架材料的锆簇节点环境，以及相应的电催化产氢和异相催化水解化学武器毒剂模拟物的性能。