具有多活性吸附位点的金属有机骨架材料的构筑与性能研究

The effective light hydrocarbon storage and selective separation is one of the hot issues in the development of society and the contemporary scientific research. How to design and synthesize efficient and porous MOFs materials for light hydrocarbon storage and separation has become a topic research in both current coordination chemistry and material chemistry. This project intends to introduce the bridging Lewis basic group moieties into the MOFs’ framework through crystal engineering, and to introduce the guest cations into the MOFs’ channels or cages, aiming to construct anionic MOFs materials with multiple active adsorption sites, and the anionic MOFs materials exhibit significant enhancement of light hydrocarbon storage and separation. Meanwhile, how the guest cations effect the materials’ stability should be researched. Whether the co-activity exists in the different active adsorption sites, and the structure-activity relationship between pore structure of the MOFs materials and their adsorption separation performances should be summarized. The results of this project may provide experiment data for the design and synthesize of the MOFs materials with high performance light hydrocarbon storage and separation in the future.

轻烃气体的有效存储和选择性分离是社会发展和当代科学研究亟需解决的热点问题之一，如何设计合成高性能轻烃存储和分离的多孔MOFs材料已成为当前配位化学和材料化学领域的一个重要研究热点。本项目拟通过晶体工程原理将Lewis碱类基团和孤电子对活性吸附位点引入到羧酸类微孔MOFs化合物骨架结构中，利用主客体化学原理将阳离子活性吸附位点引入到微孔MOFs材料的孔道中，构筑含多重轻烃分子作用活性位点的阴离子型MOFs材料，实现对轻烃化合物吸附性能的极大提高，同时系统研究客体阳离子对于提高材料稳定性的影响，探讨不同种类的活性吸附位点之间的协同效应，总结该类材料的结构和其吸附分离性能之间的构效关系。希望通过本项目的立项研究，为今后定向设计合成高性能轻烃气体吸附分离MOFs材料提供实验基础。

近年来，金属有机骨架材料在吸附与分离、光学、催化等领域展示出潜在的应用价值，因此设计合成功能性的金属有机骨架化合物已成为当今研究热点之一。功能性金属有机骨架化合物设计合成的关键是在一定条件下选择合适的金属离子和有机配体来实现其结构可调控性。因此，深入了解金属有机骨架化合物合成中的溶剂效应、模板效应、金属-配体配位效应等合成化学问题以及此类化合物的微观结构对材料性能的影响对于金属有机骨架材料的研究具有重要意义。针对上述领域，项目组主要开展了如下四个方面研究工作，主要包括：1.基于路易斯碱位点的四齿羧酸配体的金属有机骨架化合物的合成及反应条件的调控；2.基于吡啶羧酸类配体的阴离子型3d-4f金属有机骨架化合物的合成及反应调控；3.基于金属簇-碱金属碱土金属结构单元的金属有机骨架化合物的构筑及反应条件的调控；4.阴离子型多孔有机聚合物的探索合成与阳离子吸附研究。结合上述研究内容，本项目取得以下研究进展：实验过程中考察了多种单一溶剂或混合溶剂对化合物形成的影响，初步了解了金属有机骨架化合物合成中的溶剂效应；项目开展过程中得到了20多个金属有机骨架化合物，分析了所合成的化合物的结构，考察了有机配体的形状对于孔道尺寸及形状的影响；了解了金属有机骨架化合物合成化学中的模板效应；阐述了刚性有机配体及其与金属/金属簇的配位对于金属有机骨架化合物结构形成的影响。总之，本项目的研究成果为深入了解功能性金属有机骨架化合物的设计合成提供了有用的研究信息，也为相关类型金属有机骨架材料的开发提供了重要参考。