生物大分子修饰的金属有机框架薄膜的构筑及可控离子传输

Fast and controllable ionic transportation is very important to solve the energy and environment issues. Duo to their unique porous properties, metal organic frameworks (MOFs) materials have shown promising potential for ionic transportation. While, typically MOFs itself is poor ionic conductor. In addition, current pressured MOFs thick films from their functional powders seriously obstacle them for real applications. In order to solve these problems, similar to the ionic channels in bio-systems, in this project, we will directly prepare continuous and well-intergrown bio-macromolecules functionalized MOFs thin films for fast and controllable ionic transportation. The detail research contents are: 1) based on the specific functional groups and conformation of bio-macromolecules, the structure of MOFs channel, we will establish a room temperature process to introduce biomolecules into the channels of MOFs, form a three-dimensional ionic transportation networks, obtain continuous well-intergrown without big voids bio-macromolecules functionalized MOFs thin films with fast and controllable ionic transportation properties; 2) we will investigate the thermal dynamic properties/status of linear bio-macromolecules and water in the nanochannels of MOFs, and the corresponding effect on ionic transportation; 3) Combining the theoretical simulation, the ionic transportation mechanism and tunable rules will be revealed; we will investigate the potential application of the prepared bio-macromolecules functionalized MOFs membranes for ionic separation and purification, proton exchanged membranes for fuel cells and other batteries. These will provide some clues for understanding the ionic transportation through ionic channels in bio-systems and promote their corresponding applications.

快速及可控离子传输对解决当前能源及环境领域问题非常重要。优异的多孔金属框架材料（MOFs）在离子传输方面具有极大的潜力。但MOFs本身离子传导率低，且目前多是粉体压制的厚膜，严重阻碍了其实际应用。为解决这些问题，类似于生物体内的离子通道，本项目将利用生物大分子修饰MOFs直接制备出快速及可控离子传输的MOFs薄膜。主要研究内容：1）基于生物大分子的官能团及构象，结合MOFs孔道结构，建立室温将生物大分子引入MOFs薄膜晶体孔道中的方法，构筑快速三维离子通道，获得连续交生、无大缺陷的、具有快速且可控离子传输的生物大分子修饰的MOFs薄膜；2）研究生物线性大分子与水及其构筑的离子通道在MOFs孔道中的热力学性质；3）结合理论计算探明离子传输机理和调控机制，并探索其在离子分离提纯、离子传输膜及电池隔膜中的应用，为理解相应生物大分子在体内的离子传输行为提供借鉴，推动MOFs在相关领域的应用。

快速及可控离子传输对解决当前能源及环境领域问题非常重要。优异的多孔金属框架材料（MOFs）在离子传输方面具有极大的潜力。但MOFs本身离子传导率低，且目前多是粉体压制的厚膜，严重阻碍了其实际应用。为解决这些问题，类似于生物体内的离子通道，本项目将利用生物大分子修饰MOFs直接制备出快速及可控离子传输的MOFs薄膜。主要研究内容：1）基于生物大分子的官能团及构象，结合MOFs孔道结构，建立室温将生物大分子引入MOFs薄膜晶体孔道中的方法，构筑快速三维离子通道，获得连续交生、无大缺陷的、具有快速且可控离子传输的生物大分子修饰的MOFs薄膜；2）研究生物线性大分子与水及其构筑的离子通道在MOFs孔道中的热力学性质；3）结合理论计算探明离子传输机理和调控机制，并探索其在离子分离提纯、离子传输膜及相关应用。取得以下重要结果：.1..通过固相转化或后修饰法将生物大分子/有机高分子引入MOFs薄膜中，获得高离子导电和光热特性的MOFs膜，获得了高效盐差能输出及光热海水淡化性能的MOFs薄膜，为废旧锂离子电池中金属的回收及光热海水淡化提供了新思路。.2..基于金属有机骨架材料（MOFs）优异的有序微孔特性，通过固相转化法技术将荧光蛋白质、纳米颗粒等功能化基元引入MOFs薄膜中，实现了光功能调控，对其机理进行了深入的探究，实现了基于质子电导的光控MOFs逻辑门、荧光蛋白白光显示及选择性离子分离。 .3..基于生物催化抗癌机理，通过配体选择和金属节点的构筑，合成了具有很好光热催化特性的MOFs材料，分别构筑了集化学动力学和热疗一体化的葡萄糖氧化酶修饰的光热MOFs实现了光动力和热疗一体化的抗癌药物体系。.项目执行期间，相关成果在国内外专业期刊共发表SCI论文29篇，授权中国专利发明专利6项。