有機(jī)分子基框架多孔材料的前沿研究CB821700-G

1、工程名稱：有機(jī)分子基框架多孔材料的前沿研究首席科學(xué)家：蘇成勇 中山大學(xué)起止年限：依托部門：教育部一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容1、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題 框架多孔材料的晶體工程是一個具有重大應(yīng)用前景的前沿根底研究領(lǐng)域，以根底研究為主線，有側(cè)重地開展一些應(yīng)用研究探索，是本工程的根本思路。具體來說，就是針對“金屬有機(jī)框架MOF和“共價有機(jī)框架COF兩大類基于有機(jī)分子構(gòu)筑基元的多孔分子固體材料，圍繞“有機(jī)分子基框架多孔材料的晶體工程中的根底科學(xué)問題，開展合成方法學(xué)，開展功能與應(yīng)用化探索，重點(diǎn)擬解決以下幾個關(guān)鍵科學(xué)問題：(1) 化學(xué)作用與功能導(dǎo)向的框架多孔材料的晶體工程方法學(xué)與可控組裝 在晶體工程領(lǐng)域，特定

2、功能和結(jié)構(gòu)的材料可控合成與定向組裝仍是亟待解決的根本科學(xué)問題。目前，功能性多孔晶體材料的合成與篩選往往帶有隨機(jī)性，對于影響材料最終結(jié)構(gòu)的各種因素的認(rèn)識還處于初級階段，結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)節(jié)手段缺乏規(guī)律性和實(shí)效性。合成手段、組裝原那么、反響過程調(diào)節(jié)與組合、溶液固體結(jié)構(gòu)檢測與表征等都需要開展系統(tǒng)晶體工程方法學(xué)，從材料的功能需求設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計合成反響，合理利用配位與共價導(dǎo)向作用，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)預(yù)測、可控合成和定向組裝。 (2) 基于有機(jī)分子框架多孔晶態(tài)材料的性能作用機(jī)制與構(gòu)效關(guān)系調(diào)控 基于有機(jī)分子的多孔晶態(tài)材料賦予晶體工程可設(shè)計、可調(diào)控、可修飾的特點(diǎn)，為多孔材料的目標(biāo)設(shè)計與可控合成提供了

3、根底，但材料的設(shè)計和功能應(yīng)用須深刻揭示其作用機(jī)制并實(shí)現(xiàn)有效的“結(jié)構(gòu)功能關(guān)系調(diào)控。(3) 新型框架分子多孔晶態(tài)材料功能化、實(shí)用化的物理和化學(xué)根底 設(shè)計與合成多孔晶態(tài)材料最終是希望通過高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)與性能之間的目標(biāo)性調(diào)控，而實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化和工業(yè)化的目的，必須解決諸多功能化、實(shí)用化的物理和化學(xué)根底問題，如材料的穩(wěn)定性、高效性、產(chǎn)率、本錢，以及實(shí)驗(yàn)室合成與工業(yè)生產(chǎn)對接、制備過程放大等等。2、主要研究內(nèi)容 圍繞上述關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，主要研究內(nèi)容包括：1基于有機(jī)分子多孔材料晶體工程中的合成方法、表征手段與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法學(xué)研究1） 基于功能基元及材料體系理論，以晶體工程和超分子化學(xué)原理為指導(dǎo)，著力于新

4、的結(jié)構(gòu)模型、組裝規(guī)律、合成策略與拓?fù)鋵?dǎo)向的總結(jié)和歸納，開展基于有機(jī)分子多孔材料的晶體工程合成方法學(xué)和結(jié)構(gòu)控制的新方法，指導(dǎo)材料設(shè)計工作。2） 系統(tǒng)開展功能基元的組裝方法和技術(shù)，通過功能基元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和裁剪，制備新型功能晶態(tài)材料。通過結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)晶體材料的可控生長，實(shí)現(xiàn)功能的增強(qiáng)與復(fù)合。3） 開展特殊條件下的合成新方法，主要開展水熱和溶劑熱合成方法的開展與機(jī)理性研究，重點(diǎn)研究亞穩(wěn)相晶態(tài)材料及薄膜、界面結(jié)構(gòu)材料的制備技術(shù)，為具有特定結(jié)構(gòu)的分子光、電、磁、多孔、手性及動態(tài)智能響應(yīng)功能材料的合成提供新途徑。4） 建立功能基元及材料的探測與表征新方法，重點(diǎn)開展原位、實(shí)時、微區(qū)結(jié)構(gòu)的測量技術(shù)，以便

5、原位直觀地研究超分子在固液界面間的組裝、傳輸和結(jié)晶過程，探索和揭示其微觀作用和反響機(jī)制。2強(qiáng)作用力配位鍵、共價鍵在多孔框架化合物組裝中的導(dǎo)向功能及其與各種分子間作用力的競爭、協(xié)同規(guī)律及其控制 1利用配位鍵和共價鍵的強(qiáng)度、飽和性和方向性，系統(tǒng)開展功能基元的組裝方法和技術(shù)，通過功能基元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和裁剪，制備新型多孔晶態(tài)材料。調(diào)控多孔材料中孔洞的大小、分布、強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)晶態(tài)材料的可控生長，實(shí)現(xiàn)功能的增強(qiáng)與復(fù)合。同時關(guān)注氫鍵、堆積作用、離子、親金、親銀等各種超分子弱作用力與配位鍵的均衡、轉(zhuǎn)化和傳遞規(guī)律，研究其熱力學(xué)和動力學(xué)本質(zhì)，及其在自組裝過程中的調(diào)控和協(xié)同作用。2采用拓?fù)鋵W(xué)分析手段，

6、將多孔材料中的初級結(jié)構(gòu)單元聯(lián)結(jié)成定向排列的低維聚集體，并通過聚集體之間的配位、共價及各種超分子弱作用力，實(shí)現(xiàn)超分子合成所要到達(dá)的特定的分子堆積方式。因此, 以低維分子聚集體為根本單元的分子設(shè)計和材料合成可以使三維的分子堆積問題減低為二維或一維的堆積問題，減少分子在堆積過程中的可變量，使分子設(shè)計能夠直接指導(dǎo)功能體系的合成及組裝，并在宏觀上表達(dá)其所期望的功能。3通過溶液反響中的基元探測和轉(zhuǎn)化過程檢測，溶液到固體界面間的傳輸過程及固、液相界面上的成核、結(jié)晶與取向性調(diào)控，研究配位導(dǎo)向下各基元間的自組裝機(jī)理與過程，為解決“超分子異構(gòu)化和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性“可控合成奠定理論與方法根底。3具有特定結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)MO

7、Fs、COFs、簇基、手性、動態(tài)響應(yīng)的框架化合物的合成與研究 1以配位鍵為導(dǎo)向，從功能需求出發(fā)設(shè)計晶態(tài)多孔金屬-有機(jī)框架配合物材MOFs，根據(jù)結(jié)構(gòu)基元、次級結(jié)構(gòu)基元以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來優(yōu)化合成途徑，實(shí)現(xiàn)具有預(yù)期性能的目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)定向組裝與可控合成；探索有機(jī)配體以及客體分子對多孔化合物結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律；建立構(gòu)效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化和調(diào)控；通過路線優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)材料的宏量制備。2在計算機(jī)理論模擬指導(dǎo)下，選擇結(jié)構(gòu)具有鮮明特點(diǎn)的多面體單體構(gòu)筑共價有機(jī)多孔材料COFs;選擇高效、簡單的聚合反響，進(jìn)行有機(jī)多孔材料的設(shè)計、合成、結(jié)構(gòu)表征和性質(zhì)研究。通過對材料的官能化，改變材料的性能，使材料在吸附與催化等領(lǐng)域，

8、特別是氫氣、二氧化碳、甲烷儲存及有機(jī)分子污染物吸附方面的產(chǎn)生很好的應(yīng)用前景。3以金屬簇為組裝基元，新的有機(jī)官能配體為樞紐構(gòu)架體，構(gòu)筑更大的金屬-有機(jī)多孔骨架分子聚集體。研究其磁性、氣體吸附、電學(xué)導(dǎo)電、介電和鐵電等等性質(zhì)。4以不對稱催化和立體選擇性別離功能為導(dǎo)向，一方面探索手性多孔配位聚合物組裝中的結(jié)構(gòu)根底問題，如螺旋鏈取向的絕對控制，材料結(jié)構(gòu)中的多重手性表達(dá)，對稱性破缺、手性誘導(dǎo)、手性放大效應(yīng)等；另一方面探索手性多孔配位聚合物在功能應(yīng)用中，如何通過分子組裝，手性孔道的合理修飾以及創(chuàng)造不飽和金屬催化位點(diǎn)等，開展新一代的非均相不對稱催化材料和立體選擇性別離材料。5設(shè)計合成新型動態(tài)響應(yīng)智能材料，建立

9、與開展智能材料表征方法。利用原位測量技術(shù)表征多孔配位聚合物在不同溫度、壓力和氣氛下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理性能，深入了解多孔配位聚合物結(jié)構(gòu)與動態(tài)響應(yīng)行為之間的內(nèi)在機(jī)理。并以動態(tài)響應(yīng)型多孔配合物晶體為根底，開展新型多功能智能材料。4材料結(jié)構(gòu)與性能的定量關(guān)系及其調(diào)控機(jī)制的系統(tǒng)總結(jié)與研究1建立與開展新的理論方法，在多層次多尺度上計算、模擬和預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，探索多孔晶態(tài)材料功能特性的起源及其關(guān)鍵功能基元。2揭示多孔晶態(tài)材料功能基元電子、原子、離子、分子、基團(tuán)和疇結(jié)構(gòu)與相結(jié)構(gòu)等間的相互作用方式如共價鍵、離子鍵、配位鍵、氫鍵及弱相互作用等與其性能包括吸附、光、電、磁、催化及其復(fù)合功能的關(guān)系，說明晶態(tài)功能材料

10、宏觀對稱性與性質(zhì)之間的關(guān)系。3系統(tǒng)開展多孔晶態(tài)材料的功能基元組裝、修飾和光/電/磁性質(zhì)調(diào)控等研究，觀測相關(guān)體系在外界擾動(磁場、電場、光場、溫場、力場等)下的物性響應(yīng)，尋找具有實(shí)用價值的功能調(diào)控方法。(5) 合成材料的性能、效率、穩(wěn)定性評價與應(yīng)用根底研究根底研究的目的在于應(yīng)用，作為本工程最后一個層次的研究內(nèi)容，將上述開展的新材料、新反響、新方法、新概念，應(yīng)用于氣體存儲如H2、CH4、CO2、手性催化、以及具有動態(tài)響應(yīng)和光電磁高功能的先進(jìn)多孔功能材料的合成，為經(jīng)濟(jì)社會開展創(chuàng)造新物質(zhì)的需求提供新的技術(shù)和思路。二、預(yù)期目標(biāo)本工程的總體目標(biāo)是以“有機(jī)分子基的框架多孔晶態(tài)材料為研究對象，以“晶體材料設(shè)計

11、合成新技術(shù)的創(chuàng)新為突破口，開展配位和共價導(dǎo)向的晶體工程方法與理論，揭示決定多孔晶態(tài)材料宏觀性質(zhì)的功能基元及其在空間的集成方式，深化對多孔材料功能特性和功能基元本質(zhì)的認(rèn)識，開展具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用前景的功能多孔材料的設(shè)計、合成、制備、表征和應(yīng)用探索研究，為實(shí)現(xiàn)多孔材料功能導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可控制備提供新理論、新方法與新材料體系，為國家創(chuàng)造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新材料和新技術(shù)。 通過本工程的組織和研究，推動我國先進(jìn)多孔功能材料的創(chuàng)造及其應(yīng)用化進(jìn)展，獲取一批具有廣泛影響和自主知識產(chǎn)權(quán)的成果，造就一支在國際上有重要影響的研究隊(duì)伍，培養(yǎng)一批高水平優(yōu)秀年輕科技人才，提升我國化學(xué)前沿科學(xué)研究水平和國際地位，形成

12、在國際上有一定知名度的研究群體，促進(jìn)相關(guān)單位在“985創(chuàng)新平臺、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程中心等科研基地方面的建設(shè), 在化學(xué)與材料相關(guān)領(lǐng)域國際重要期刊上發(fā)表200篇以上的學(xué)術(shù)論文，申請15-25項(xiàng)創(chuàng)造專利，培養(yǎng)100名以上的碩士、博士和博士后青年專業(yè)科技人才。 三、研究方案1、總體思路本工程的根本學(xué)術(shù)思路是以“根底研究為主線，有側(cè)重地開展一些應(yīng)用研究探索，即以“晶體工程學(xué)為指導(dǎo)思想，以“有機(jī)分子基框架多孔分子晶態(tài)材料為研究對象，從晶體工程方法學(xué)如何應(yīng)用于“先進(jìn)多孔材料的創(chuàng)造及其功能化、應(yīng)用化為新技術(shù)創(chuàng)新的突破口，開展具有前瞻性、探索性、交叉性和重大應(yīng)用前景的根底研究，為最終解決合成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系規(guī)

13、律，促進(jìn)化學(xué)與化工、環(huán)境、能源、材料等領(lǐng)域的迅速開展提供科學(xué)理論和方法根底。2、技術(shù)路線 總體技術(shù)路線瞄準(zhǔn)具有社會重大需求的多孔材料，凝練根底科學(xué)問題，以新材料的創(chuàng)造為核心，以新材料的功能化、應(yīng)用化根底為導(dǎo)向，開展晶體工程方法學(xué)，尋找配位和共價導(dǎo)向的功能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和可控合成的途徑，從MOFs材料、COFs材料、簇基多孔材料，手性多孔材料，動態(tài)響應(yīng)多孔材料幾個方向來研究材料結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，重點(diǎn)關(guān)注材料制備過程和功能化過程中的重大科學(xué)難題和技術(shù)關(guān)鍵，通過作用機(jī)制研究、材料性能評價，研發(fā)面向化學(xué)工業(yè)和能源環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域的多孔的吸附材料、催化材料、動態(tài)響應(yīng)材料。 總體研究思路和技術(shù)路線

14、相互關(guān)系如圖1所示： 圖1、學(xué)術(shù)思路和技術(shù)路線相互關(guān)系工程的組織實(shí)施將圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，遵循重點(diǎn)開展根底研究，開展具有應(yīng)用前景的關(guān)鍵技術(shù)的總體思路，注重原始創(chuàng)新研究，發(fā)揮工程的團(tuán)隊(duì)攻關(guān)優(yōu)勢。 3、創(chuàng)新點(diǎn)與特色 傳統(tǒng)多孔材料是一個具有古老歷史也具有現(xiàn)實(shí)價值的重要材料，但新興框架多孔分子晶態(tài)材料的晶體工程是從分子水平審視先進(jìn)功能材料的設(shè)計、合成、性能、應(yīng)用，瞄準(zhǔn)當(dāng)今社會和未來可持續(xù)開展面臨環(huán)境、能源、節(jié)能減排等重大需求，旨在新理論、新方法、新材料和新技術(shù)開展和創(chuàng)造，是一個具有重大應(yīng)用前景的前沿根底研究領(lǐng)域，其科學(xué)意義與社會意義不言而喻。該工程的創(chuàng)新性和特色主要表達(dá)在以下4個方面： 1結(jié)合了傳統(tǒng)無機(jī)

15、多孔材料和有機(jī)分子的功能特性，將材料孔結(jié)構(gòu)、孔大 小、孔面積的可設(shè)計性、可修飾性、可調(diào)節(jié)性與材料功能的高效性、選擇性、專一性巧妙結(jié)合起來。 2開展晶體工程方法學(xué)，便于從分子水平解決可控合成、定向組裝的科學(xué)難題，便于從材料設(shè)計走向功能化設(shè)計，便于從材料性能研究開展到實(shí)用化研究。 3瞄準(zhǔn)多孔晶態(tài)材料商業(yè)化、工業(yè)化技術(shù)難題，選擇吸附材料、催化材料、動態(tài)響應(yīng)材料等有限目標(biāo)，具體面對化學(xué)工業(yè)和能源環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域重點(diǎn)需求。 4從材料的創(chuàng)新出發(fā)，以功能探索引導(dǎo)合成的原始創(chuàng)新，把握根底性、前沿性、前瞻性和交叉性研究特征，開展具有先進(jìn)功能的新型多孔分子晶態(tài)材料。4、可行性分析 本工程的學(xué)術(shù)思想和技術(shù)方案是建立在對

16、國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與開展趨勢的深入分析和各承當(dāng)單位擁有的堅實(shí)的前期工作根底之上，具體表達(dá)在： 1總體研究思路明確、技術(shù)路線翔實(shí)：本工程堅持以“根底研究為主線，有側(cè)重地開展一些應(yīng)用研究探索的根本學(xué)術(shù)思路，圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，注重原始創(chuàng)新研究，瞄準(zhǔn)面向化學(xué)工業(yè)和能源環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域的多孔吸附材料、催化材料、動態(tài)響應(yīng)材料，選取我們具有深厚研究根底、特色研究方向、雄厚研究實(shí)力的框架多孔晶體材料研究目標(biāo)，分六個課題從不同側(cè)面開展研究。各課題分別從合成-結(jié)構(gòu)-性能一條主線的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)切入，共同目標(biāo)是“多孔框架材料，共同特色是“有機(jī)分子基框架材料，所以各課題既有相對獨(dú)立性，又重視交叉銜接和互補(bǔ)性，有益于發(fā)揮

17、工程的團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢。整個工程既面對社會重大需求，又具有明確的研究目標(biāo)和可行的實(shí)施方案。 2研究隊(duì)伍力量雄厚、根底扎實(shí)：本工程所組織的研究隊(duì)伍和學(xué)術(shù)骨干來自在多孔材料晶體工程領(lǐng)域具有長期積累的國內(nèi)重要高校和科研院所，成員老中青結(jié)合、以青年為主體，既有多年從事相關(guān)領(lǐng)域根底研究的、承當(dāng)過國家自然科學(xué)基金、國家科技部 “973工程等重大根底研究工程的、有經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家，也有功底扎實(shí)、富有創(chuàng)新精神的年輕人，研究方向和技術(shù)力量互補(bǔ)性強(qiáng)，有多位代表了我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究水平、在國際上已有一定影響力的學(xué)者。 3研究目標(biāo)具備前瞻性、根底實(shí)施條件優(yōu)良：工程的學(xué)術(shù)思想、研究內(nèi)容、技術(shù)路線緊密圍繞“結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系問題，提煉

18、出的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題完全適合當(dāng)前國際相關(guān)領(lǐng)域的開展趨勢，也建立在工程組各單位已經(jīng)取得的重要成果和前期研究積累之上，并關(guān)注到了該領(lǐng)域開展的應(yīng)用化瓶頸和急需突破的科學(xué)難題。工程成員所在單位和研究室具有良好的學(xué)術(shù)環(huán)境和設(shè)備、技術(shù)支撐條件，開展工程研究所需的實(shí)驗(yàn)條件、儀器條件完備，特別是在教育部“211、“985工程和中科院“知識創(chuàng)新工程支持下，主要測試、表征的手段和性能研究的設(shè)備可以支撐本工程涉及的各項(xiàng)研究工作的順利開展。 總之，本工程在科學(xué)問題凝練、研究思想確立、研究內(nèi)容設(shè)臵、技術(shù)路線實(shí)施等方面都已做好了充分的前期準(zhǔn)備，假設(shè)干研究方向已取得一些有國際影響力的突破性成果，如獲資助，可以全面開展

19、擬定的研究方案，完成工程研究內(nèi)容，到達(dá)預(yù)期研究目標(biāo)。 5、課題設(shè)置【課題1】多孔晶體合成方法學(xué)與組裝機(jī)理研究研究內(nèi)容：本課題圍繞晶體工程的核心科學(xué)挑戰(zhàn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計與可控合成，緊密配合其他5個子課題的研究目標(biāo)，具體開展系列研究：1晶體工程方法在多孔材料中的應(yīng)用：從簡單的炒菜式合成，過渡到運(yùn)用晶體工程和超分子化學(xué)的原理；利用拓?fù)鋵W(xué)原理和次級建筑單元等概念，結(jié)合理論模擬，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和合成路線設(shè)計；從較為單一的溶液合成和溶劑水熱合成，過渡到重視新合成手段如離子熱、微波反響以及組合化學(xué)的運(yùn)用；以特定性能的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，重視結(jié)構(gòu)和合成方法調(diào)控、配體的修飾以及新功能配體的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)晶態(tài)材料的可控生長，實(shí)現(xiàn)

20、功能的增強(qiáng)與復(fù)合。2拓?fù)鋵W(xué)導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)設(shè)計與定向合成：采用拓?fù)鋵W(xué)分析手段，考察多孔材料中的初級結(jié)構(gòu)單元在晶體中的鏈接、堆積方式，將其簡化為最簡單的數(shù)學(xué)拓?fù)淠Ｐ?，認(rèn)識結(jié)構(gòu)基元通過配位、共價及各種超分子弱作用力形成的三維空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系，使分子設(shè)計能夠更容易地指導(dǎo)功能體系的合成及組裝，并在宏觀上表達(dá)其所期望的功能。3多孔材料的功能化、實(shí)用化探索：進(jìn)行框架多孔材料吸附與催化的活性位點(diǎn)修飾，研究活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與功能特征。研究晶態(tài)條件下的動態(tài)響應(yīng)與智能化過程，為動態(tài)響應(yīng)型的多孔配合物晶體的設(shè)計、合成和表征提供晶體工程方法學(xué)方面的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。瞄準(zhǔn)具有應(yīng)用前景的高穩(wěn)定性、低本錢、高效率分子多孔材料

21、，探索宏量準(zhǔn)備的合成方法和工藝路線，為商業(yè)化和工業(yè)化開展奠定的實(shí)驗(yàn)根底，提供技術(shù)支持。4晶體工程方法學(xué)、構(gòu)效關(guān)系規(guī)律總結(jié)與實(shí)踐：通過結(jié)構(gòu)模型、拓?fù)浞治?、性能評價總結(jié)歸納化學(xué)作用與功能導(dǎo)向晶體工程的組裝規(guī)律、合成策略與構(gòu)效關(guān)系，指導(dǎo)功能性化合物的組裝實(shí)踐。著力于新的結(jié)構(gòu)模型、組裝規(guī)律、合成策略與拓?fù)鋵?dǎo)向原那么的總結(jié)和歸納，通過結(jié)構(gòu)控制以實(shí)現(xiàn)特定功能為目標(biāo)，開展多孔材料晶體工程的合成方法學(xué)和結(jié)構(gòu)控制的新方法。為本工程相關(guān)領(lǐng)域和其他5個子課題研究方向，尤其是具有特定結(jié)構(gòu)的MOFs、COFs、簇合物、手性及動態(tài)響應(yīng)多孔功能材料的合成提供新途徑。預(yù)期目標(biāo)：從多孔晶態(tài)材料固有的功能性出發(fā)，深入探索配位和共

22、價等強(qiáng)作用力在晶體工程中的導(dǎo)向作用，了解掌握各種分子間作用力的協(xié)同對多孔分子晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的調(diào)控規(guī)律，逐步實(shí)現(xiàn)具有良好功能特性和潛在應(yīng)用價值的先進(jìn)多孔材料的定向合成目標(biāo)；深入開展多孔材料的功能化、實(shí)用化探索。同時，及時總結(jié)和歸納其他5個課題研究結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，注重方法學(xué)與構(gòu)效關(guān)系提煉，為其他子課題工作的順利開展，也為面向國家需求的高新材料的創(chuàng)造與功能化、實(shí)用化探索提供科學(xué)依據(jù)與方法根底。課題負(fù)責(zé)人：蘇成勇 教授課題承當(dāng)單位：中山大學(xué)、山西師范大學(xué)主要學(xué)術(shù)骨干：麥松威、張獻(xiàn)明、潘梅經(jīng)費(fèi)比例：15.5%【課題2】基于配位作用的多孔框架化合物研究研究內(nèi)容：本課題以配位晶體工程的根本原理為指導(dǎo)，在分

23、子水平上設(shè)計并合成具有特定多孔結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架新材料。結(jié)合課題1的合成方法學(xué)進(jìn)展，從功能需求出發(fā)設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)多孔框架化合物的結(jié)構(gòu)基元、次級結(jié)構(gòu)基元以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來優(yōu)化合成途徑，實(shí)現(xiàn)具有預(yù)期性能的目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)定向組裝與可控合成；對多孔化合物中孔洞大小與性質(zhì)的調(diào)控；探索有機(jī)配體以及客體分子對多孔化合物結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律；建立構(gòu)效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化和調(diào)控，以及實(shí)現(xiàn)材料的宏量制備。具體研究內(nèi)容包括：1吸附與別離功能的框架多孔化合物：設(shè)計和選擇系列有機(jī)多酸、三唑和四唑等有機(jī)分子作為配體，以金屬離子或新型簇單元為節(jié)點(diǎn)合成出孔道規(guī)那么、尺寸可控的多種多孔金屬-有機(jī)框架PMOF化合物、利用現(xiàn)代物理測

24、試方法，在分子水平上測定化合物的結(jié)構(gòu)，考察有機(jī)配體的結(jié)構(gòu)對孔洞大小的影響，以及溶劑熱溫度上下、降溫速度、反響物比例及金屬離子存在形式(氧化物、鹽、氫氧化物)、反響體系的pH大小、溶劑種類和混合溶劑比例對分子組裝及結(jié)構(gòu)的影響。測試這些多孔化合物對能源分子(H2、CH4)、溫室氣體(CO2)、污染物分子(CrO42-, Cr2O72-, MnO4-)等客體分子的吸附性能，以及基于孔道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試對某些混合物體系進(jìn)行別離，研究孔洞結(jié)構(gòu)和大小與所吸附/別離分子種類和大小間的關(guān)系。另一方面，有目的的對某些PMOF進(jìn)行后修飾，比照修飾前后對客體分子或離子的吸附別離性能差異。對這些方面進(jìn)行總結(jié)，得出一些結(jié)

25、構(gòu)與性能關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，以此指導(dǎo)新一輪實(shí)驗(yàn)，最終合成出更多有預(yù)期結(jié)構(gòu)和預(yù)期吸附別離功能的PMOF化合物。2磁性框架多孔化合物: 設(shè)計并選擇多種自旋載體自由基、過渡金屬離子和/或稀土離子，通過選擇不同的橋聯(lián)配體和控制反響條件，合成出多系列的PMOF化合物，并進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)表征與磁性的研究；探討結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系及規(guī)律。通過變換多種因素外部因素如熱擾動、光激發(fā)、電化學(xué)和外部壓力等；內(nèi)部因素如客體分子或離子，橋聯(lián)微環(huán)境等對產(chǎn)物的自旋態(tài)或電子排布進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而改善其磁學(xué)性質(zhì)。依據(jù)磁學(xué)測試結(jié)果并結(jié)合量子化學(xué)方法計算產(chǎn)物的能級及分布，磁偶合常數(shù)等微觀參數(shù)來加深對分子內(nèi)自旋態(tài)轉(zhuǎn)換及電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的理解，進(jìn)一

26、步說明結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系，并以此指導(dǎo)設(shè)計合成具有預(yù)期磁功能性質(zhì)的多孔材料。3發(fā)光框架多孔化合物：選擇d10組態(tài)過渡金屬離子和/或特定稀土離子(如Nd3+, Sm3+, Eu3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+), 以及多氮唑和有機(jī)多酸配體，組裝出多個系列的多孔PMOF，并對它們的光致發(fā)光、電致發(fā)光以及非線性光學(xué)等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究?？疾炷芰哭D(zhuǎn)移途徑、配體結(jié)構(gòu)對發(fā)光壽命的影響及發(fā)光機(jī)理，為尋求先進(jìn)發(fā)光材料提供更多的理論和實(shí)驗(yàn)根底；另一方面，要重點(diǎn)探索各種客體分子或離子進(jìn)入PMOF的孔道后，對發(fā)光性能的影響以及造成這種影響的機(jī)制，分析結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，以期最終甄

27、選出分子或離子的熒光探針多孔材料。4其他性能的框架多孔化合物：從設(shè)計新穎的有機(jī)-無機(jī)雜化次級結(jié)構(gòu)基元出發(fā)，探索利用離子熱、微波輔助合成以及溶劑水熱法等軟化學(xué)法，在不同類型客體分子、結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的作用下，合成具有優(yōu)良的離子交換、電導(dǎo)、光催化等性能的異金屬硫?qū)倩?、異金屬氧氧鹵化物基有機(jī)-無機(jī)雜化多孔配位聚合物；探索離子熱條件下的多孔配位聚合物的特殊晶化條件、離子液體的特殊模板作用，以及原位產(chǎn)生新型配體的機(jī)制，并進(jìn)一步研究其構(gòu)-效關(guān)系。預(yù)期目標(biāo)：開展新型高容量儲氣氫氣和天然氣等多孔配位聚合物的合成制備技術(shù)和測試表征方法，探明材料吸/放氣過程中氣體的吸附、解離和溶入/析出等相互作用及原子/分子擴(kuò)散機(jī)制，

28、合成并表征2 3個系列新型具有吸附與別離性能的多孔配位聚合物；對所得PMOF化合物進(jìn)行磁學(xué)性質(zhì)和發(fā)光性質(zhì)研究，探索進(jìn)入PMOF孔道的客體分子或離子對體系的磁性和發(fā)光性能的影響；獲得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和次級結(jié)構(gòu)基元新穎、孔洞大小及性質(zhì)可調(diào)的硫?qū)倩锛把跹觖u化物基有機(jī)-無機(jī)雜化微孔材料，揭示出多孔配位聚合物的組裝規(guī)律及結(jié)構(gòu)與發(fā)光、光學(xué)非線性、鐵電、磁、電導(dǎo)等性能之間的內(nèi)在關(guān)系。課題負(fù)責(zé)人：程鵬 教授課題承當(dāng)單位：南開大學(xué)、中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所主要學(xué)術(shù)骨干：吳新濤、杜少武、黃小滎、趙斌、師唯經(jīng)費(fèi)比例：18%【課題3】基于共價作用的多孔框架化合物研究研究內(nèi)容：目前，雖然有機(jī)多孔材料在局部結(jié)構(gòu)上具有一定的有序

29、性，但是它們長程無序?qū)е逻@類材料大多是無定形的，制備可以分析結(jié)構(gòu)的結(jié)晶有機(jī)多孔材料也是研究的熱點(diǎn)及前沿性問題。本課題將在已有積累的根底上，探索共價有機(jī)多孔材料的設(shè)計合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控以及與儲氣、別離、純化等功能性之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，尋找提高儲氣、別離材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素，以期獲得新型高性能的多孔有機(jī)固體儲氣材料、別離材料。一方面為課題1提供合成方法學(xué)根底，另一方面也為其它課題功能化研究提供新穎結(jié)構(gòu)模型。具體研究內(nèi)容包括：1 計算機(jī)理論模擬作為開展有機(jī)框架多孔材料研究的指導(dǎo)：主要包括，a) 利用計算機(jī)及拓?fù)鋵W(xué)模擬目標(biāo)多孔材料的可能結(jié)構(gòu)；b) 選擇適宜的計算方法對可能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時對材料的性能進(jìn)

30、行初步預(yù)測，具體的計算方法包括第一性原理及蒙特卡洛計算方法等。2有機(jī)結(jié)構(gòu)基元的設(shè)計與合成：為制備高穩(wěn)定性及高比面積的材料，選擇一些具有多面體結(jié)構(gòu)的單體，主要包括：四苯甲烷及其衍生物，立方硅烷及其衍生物等；利用有機(jī)反響單體多樣性特點(diǎn)，進(jìn)而改變有機(jī)多孔材料的性能，包括在有機(jī)單體中引入不同的官能化的基團(tuán)，在有機(jī)多孔材料中引入可以對外加誘導(dǎo)因素光、電、磁、溫度等有響應(yīng)的基團(tuán)；制備包含更多氫氣吸附位點(diǎn)的材料，進(jìn)一步提高氫氣吸附性能。3選擇適宜的制備有機(jī)框架多孔材料的聚合反響類型：我們課題組在實(shí)驗(yàn)方法上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，一系列高效的聚合反響已經(jīng)用于有機(jī)多孔材料的制備過程中，包括：Suzuki偶聯(lián)反響；

31、Ni(0)催化的Ullmann偶聯(lián)反響；路易斯酸催化的氰基聚合反響等。4有機(jī)框架多孔材料的功能化探索：對制備的有機(jī)多孔材料進(jìn)行氣體捕集、儲存、別離及液體吸附方面的研究。這些研究工作主要集中在與能源及環(huán)境息息相關(guān)的領(lǐng)域，包括氫氣、二氧化碳、甲烷及有機(jī)分子污染物吸附等方面的研究；同時有機(jī)多孔材料的高穩(wěn)定性及高比外表積等特點(diǎn)也符合材料作為催化劑載體的要求，這一類新穎的多孔材料非常有希望用作催化劑的載體材料。預(yù)期目標(biāo)：合理運(yùn)用晶體工程和超分子化學(xué)的原理，設(shè)計合成大量的具有適宜尺寸和形狀的多孔共價有機(jī)框架材料；系統(tǒng)表征其結(jié)構(gòu)與儲氣性能，找到合成、結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律；通過理論計算，結(jié)合先進(jìn)表征手段，說明

32、吸附-解吸機(jī)理，找到提高COF吸附、別離性能的關(guān)鍵因素；探明對COF材料進(jìn)行改性和與其它材料復(fù)合提高其儲氣性能的最正確條件；獲得假設(shè)干系列多孔COF儲氣材料，從中篩選出幾種各項(xiàng)性能優(yōu)異的儲氣材料，以實(shí)現(xiàn)高效儲氣的目標(biāo)。進(jìn)一步開展有機(jī)COF材料在別離、方案、催化等方面的功能性研究，獲得假設(shè)干具有應(yīng)用前景的有機(jī)COF多孔分子材料。課題負(fù)責(zé)人：朱廣山 教授課題承當(dāng)單位：吉林大學(xué)、南開大學(xué)主要學(xué)術(shù)骨干：裘式綸、卜顯和、趙小軍、薛銘、孫福興經(jīng)費(fèi)比例：21%【課題4】基于簇基元的金屬-有機(jī)框架材料研究研究內(nèi)容：本課題方案設(shè)計合成特殊的金屬簇基元，選擇能夠適配的樞紐配體，以金屬簇為組裝基元，新的官能有機(jī)配體

33、為樞紐構(gòu)架體，來構(gòu)筑更大的金屬-有機(jī)多孔框架分子聚集體。在合成方法上，將為課題1提供新思路，在性能研究上，將與其他課題互補(bǔ)協(xié)同。具體研究內(nèi)容包括：(1) 通過陰離子簇合物的連接，或引入低價態(tài)的金屬離子如鈉、鉀離子等，將金屬簇合物基元連接成金屬-有機(jī)框架結(jié)構(gòu)，研究其磁性及對氣體吸附等性質(zhì)。(2) 通過增加形成簇合物的有機(jī)配體負(fù)價態(tài)，直接合成金屬-有機(jī)框架材料或再通過金屬離子連接成金屬-有機(jī)框架材料，研究其磁性、氣體吸附、電學(xué)導(dǎo)電、介電和鐵電等等性質(zhì)。(3) 總結(jié)出反響溫度、溶劑pH值以等金屬-有機(jī)框架材料形成的影響規(guī)律，為合成具有特定結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)框架材料提供經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。(4) 以硅三醇類分子為

34、反響前體，組裝合成金屬粒子嵌入的具有硅氧分子篩類負(fù)載型結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)構(gòu)架分子聚集體，其中金屬粒子包含過渡金屬中的貴金屬以及鑭系金屬。并進(jìn)一步探討組裝合成物的催化性能，如不飽和羰基、烯烴、炔烴等有機(jī)小分子的氫化反響等。預(yù)期目標(biāo)：通過合成系列核數(shù)不同、金屬離子不同的高核稀土-過渡金屬簇合物以及手性高核稀土-過渡金屬簇合物，揭示高核稀土-過渡金屬離子簇合物自身的形成規(guī)律；利用金屬有機(jī)的方法學(xué)拓寬高核過渡金屬、稀土金屬、過渡-稀土金屬簇合物的合成，開辟新的合成路徑；同時，深入考察和挖掘這些金屬簇合物在有機(jī)和聚合化學(xué)方面的催化性能；通過系統(tǒng)地研究核數(shù)不同、金屬離子不同的高核稀土-過渡金屬離子簇合物性能

35、，揭示高核稀土-過渡金屬離子簇合物結(jié)構(gòu)與性能間的定量關(guān)系與規(guī)律，并根據(jù)物質(zhì)功能需求設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計合成反響，逐步實(shí)現(xiàn)具有特定功能目標(biāo)化合物的定向合成。課題負(fù)責(zé)人：龍臘生 教授課題承當(dāng)單位：廈門大學(xué)、中山大學(xué)主要學(xué)術(shù)骨干：童明良、朱紅平、趙海霞經(jīng)費(fèi)比例：14%【課題5】手性與催化多孔材料的組裝與功能研究內(nèi)容：本分課題著眼于手性和催化這兩個密切相關(guān)的前沿科研方向，立足于當(dāng)前手性與催化多孔配位聚合物研究前沿，以不對稱催化和立體選擇性別離功能為導(dǎo)向，一方面探索手性多孔配位聚合物組裝中的結(jié)構(gòu)根底問題，如螺旋鏈取向的絕對控制，材料結(jié)構(gòu)中的多重手性表達(dá)，對稱性破缺、手性誘導(dǎo)、手性放大效應(yīng)等；另一方

36、面探索手性多孔配位聚合物在功能應(yīng)用中，如何通過分子組裝，手性孔道的合理修飾以及創(chuàng)造不飽和金屬催化位點(diǎn)等，開展新一代的非均相不對稱催化材料和立體選擇性別離材料。力求對根底性的超分子手性的起源問題和應(yīng)用性的節(jié)能型配合物基催化材料的性能提高等重要科學(xué)問題做出闡釋。合成工作將借鑒課題1-3提供的方法學(xué)指導(dǎo)，功能研究上將結(jié)合其他課題提供的有用結(jié)構(gòu)模型，強(qiáng)化手性和催化性能研究。重點(diǎn)開展以下研究：(1) 手性多孔配位聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計與可控制備：將通過幾種不同的策略構(gòu)筑手性多孔配位聚合物，如直接設(shè)計合成具有手性的連接體分子與金屬自組裝產(chǎn)生多孔材料；在已經(jīng)報道或者較成熟的自組裝體系中引入手性共配的有機(jī)小分子，定

37、向生成手性多孔材料；通過非手性單元借助手性介質(zhì)的誘導(dǎo)作用產(chǎn)生手性多孔材料；或者在已經(jīng)得到的有機(jī)-金屬框架上通過后修飾的方法引入手性元素。(2) 手性多孔配位聚合物的分子識別、吸附、催化及別離等性能研究。通過對配位聚合物結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的研究，了解其內(nèi)部超分子結(jié)構(gòu)、超分子作用與手性征及物理化學(xué)性能之間的關(guān)系，運(yùn)用晶體工程的根本原理，探索固體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性能關(guān)系的規(guī)律，同時采用理論計算和模擬方法提高和深化對所獲規(guī)律的認(rèn)識，以期發(fā)現(xiàn)所得功能化合物材料的新性質(zhì)和新應(yīng)用。3通過合理設(shè)計與合成具有催化位點(diǎn)或手性環(huán)境的手性多孔配位聚合物，研究結(jié)構(gòu)與催化活性之間的相關(guān)性，通過對催化活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和定向合成

38、，提高特定反響的催化活性和立體選擇性。將參考各種反響條件，研究不同單手性微孔材料作為催化劑以及不同比例催化劑用量對不對稱催化反響的影響。對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的手性微孔材料，還將研究它們對系列外消旋有機(jī)分子(如2-丁醇，2氨基丁醇，1苯乙醇等)的立體選擇性吸附與別離。預(yù)期目標(biāo)：在手性多孔材料領(lǐng)域，以新的思路和策略來開展手性催化方法，提出手性誘導(dǎo)的模型、認(rèn)識手性傳遞的規(guī)律、理解手性放大的機(jī)制，以期實(shí)現(xiàn)在原理、概念和方法層次上的創(chuàng)新，為開展先進(jìn)的手性合成方法提供理論指導(dǎo)，開展一批有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型手性催化材料、手性催化新反響以及手性催化劑負(fù)載化的新方法與新技術(shù)。課題負(fù)責(zé)人：張健 研究員課題承當(dāng)單位：福

39、建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、山東師范大學(xué)、中山大學(xué)主要學(xué)術(shù)骨干：魯統(tǒng)部、董育斌、余榮民、呂建經(jīng)費(fèi)比例：17.5%【課題6】動態(tài)響應(yīng)多孔固體的設(shè)計合成與功能研究內(nèi)容：本課題將結(jié)合課題1-5的合成方法學(xué)和特殊結(jié)構(gòu)模型，致力于開展配合物晶體動態(tài)響應(yīng)行為的研究，以配位構(gòu)型多變的金屬離子或具有柔性基團(tuán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)配體設(shè)計合成具有柔性框架或活動側(cè)基的配合物晶態(tài)材料，建立并開展新的材料表征方法，加深對配合物晶體結(jié)構(gòu)與動態(tài)響應(yīng)行為之間關(guān)系的理解，摸索其在高效儲存和別離等國民經(jīng)濟(jì)需求上的應(yīng)用，逐步到達(dá)新型動態(tài)響應(yīng)智能材料的合理設(shè)計、合成并利用。具體研究內(nèi)容包括：1基于分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展框架結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)易變的新型配合物晶體

40、的設(shè)計與合成，研究其對溫度、壓力、光、氣氛、客體等環(huán)境刺激的動態(tài)響應(yīng)行為，在相當(dāng)程度上，實(shí)現(xiàn)分子組裝的可控化和“工程化。2注重開展新的結(jié)構(gòu)與性能表征的方法和技術(shù)，建立和開展相關(guān)的原位結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表征技術(shù)，結(jié)合X射線粉末和單晶衍射、氣體吸附、紫外可見紅外吸收光譜、熒光光譜、磁性等手段，開展定態(tài)和時間分辨原位測量表征，深入研究配合物晶體動態(tài)響應(yīng)行為的熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)理；研究動態(tài)響應(yīng)過程中金屬離子和有機(jī)配體在配合物晶體中的配位行為和自旋電子的耦合和遷移行為。3以動態(tài)響應(yīng)型配合物晶體為根底，研究不同類型的配位鍵和柔性有機(jī)配體分子對配合物晶體結(jié)構(gòu)與動態(tài)行為的影響，開展新型多功能智能材料，尤其是微孔材料，通

41、過系統(tǒng)的研究，理清有關(guān)體系的規(guī)律性。預(yù)期目標(biāo)：在設(shè)計、合成與表征一系列新型動態(tài)有機(jī)分子基框架多孔材料的根底上，揭示配位框架結(jié)構(gòu)與材料動態(tài)行為的聯(lián)系、了解外界環(huán)境微擾對多孔配位聚合物性能的影響；建立原位測定多孔動態(tài)智能材料的方法，獲得一批具有傳感、儲存、別離等多先進(jìn)功能的動態(tài)響應(yīng)智能材料，并最終將其應(yīng)用于分子基器件上。課題負(fù)責(zé)人：李丹教授課題承當(dāng)單位：汕頭大學(xué)、中山大學(xué)主要學(xué)術(shù)骨干：陳小明、張杰鵬、黃曉春、尹業(yè)高經(jīng)費(fèi)比例：14%6、課題間的相互關(guān)系各課題的設(shè)臵既保持相對獨(dú)立性，又密切交叉，重視相互銜接和互補(bǔ)配合性，使得整個工程既可以沿一根主線開展工作，保持各自原始創(chuàng)新性，同時有利于發(fā)揮工程的團(tuán)隊(duì)

42、優(yōu)勢、協(xié)同攻關(guān)。各課題之間的關(guān)系、互補(bǔ)性表現(xiàn)在：1） 課題1“多孔晶體合成方法學(xué)與組裝機(jī)理研究為統(tǒng)領(lǐng)全局的根底課題，以“合成結(jié)構(gòu)性能的化學(xué)物理過程與構(gòu)效關(guān)系研究為主，將為其它課題提供合成方法學(xué)指導(dǎo)，也負(fù)責(zé)系統(tǒng)總結(jié)歸納其它各課題發(fā)現(xiàn)的機(jī)理與規(guī)律。2） 課題2和3的設(shè)置從晶體工程的化學(xué)作用力導(dǎo)向出發(fā)，即以兩種強(qiáng)化學(xué)作用力共價鍵和配位鍵為主導(dǎo)，結(jié)合各種超分子作用力協(xié)同，開展“金屬有機(jī)框架MOF和共價有機(jī)框架COF兩大類多孔分子固體材料。3） 課題4, 5和6的設(shè)置從晶體工程的功能性導(dǎo)向出發(fā)，瞄準(zhǔn)多功能簇基元、手性催化、動態(tài)響應(yīng)幾個功能性較強(qiáng)、開展較快的前沿方向，開展應(yīng)用目標(biāo)明確的先進(jìn)多孔功能材料研究

43、。4） 課題2和3為課題4-6的材料根底，功能性研究側(cè)重吸附材料，同時兼顧課題4-6的功能特性；而課題1為課題2-6的方法根底，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、可控合成與功能化提供理論和方法學(xué)指導(dǎo)。5） 整個課題以“分子水平上的框架多孔材料的合成方法學(xué)與應(yīng)用根底為核心主題，以“有機(jī)分子基多孔材料為核心內(nèi)容，以面向化學(xué)工業(yè)和能源環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域的吸附材料、催化材料、動態(tài)響應(yīng)材料為核心目標(biāo)，研究目標(biāo)明確，研究內(nèi)容集中。四、年度方案研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年l 根據(jù)有機(jī)分子基框架多孔材料自組裝和功能化的原理，設(shè)計與合成假設(shè)干具備不同結(jié)構(gòu)與功能特性的有機(jī)配體與組裝前體。l 初步研究各種反響條件包括溶劑、溫度、模板劑

44、、抗衡離子等因素對配位和共價多孔配合物框架結(jié)構(gòu)的影響，尋找多孔固體的可控組裝方法。l 利用計算機(jī)理論模擬預(yù)測目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對選擇的合理性、可行性進(jìn)行評估，建立基于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分析的材料結(jié)構(gòu)預(yù)測和模擬方法。l 按照技術(shù)路線，通過多途徑合成組裝各類型簇基元、手性與動態(tài)響應(yīng)多孔材料；對局部材料的熱穩(wěn)定性，孔容量、孔道尺寸等根本物理性能進(jìn)行表征。l 設(shè)計合成假設(shè)干具有特定結(jié)構(gòu)與功能基團(tuán)的配體、金屬簇基、次級構(gòu)筑基元等組裝前體。l 初步建立材料結(jié)構(gòu)的預(yù)測和模擬方法，并針對所選構(gòu)筑塊和反響，預(yù)測和模擬出可能的結(jié)構(gòu)。l 獲取假設(shè)干共價鍵和配位鍵導(dǎo)向的多孔材料，合成出孔道規(guī)那么、尺寸可控的多種多孔框架化

45、合物。l 設(shè)計合成出假設(shè)干具有良好的磁交換、手性催化或動態(tài)響應(yīng)性能的多孔材料，尋找控制材料孔洞與功能特性的有效方法，說明某些配合物體系的構(gòu)效關(guān)系。第二年l 在上一年工作根底上進(jìn)一步完成假設(shè)干配體和結(jié)構(gòu)單元的分子設(shè)計與合成。l 全面研究利用各種反響方式例如擴(kuò)散、水熱與溶劑熱、微波輔助合成等條件合成基于配位或共價作用力的多孔固體，初步總結(jié)有機(jī)分子基框架多孔材料的組裝規(guī)律。l 研究結(jié)構(gòu)、立體效應(yīng)和電子效應(yīng)變化對共價鍵和配位鍵選擇性的影響，研究多孔材料的催化、吸附與別離性能，深入研究磁性簇合物、手性與動態(tài)響應(yīng)多孔材料的合理組裝與根本物理性能，在此根底上，開展新的方法和途徑，繼續(xù)開展功能化多孔配合物晶體

46、的設(shè)計合成研究。l 確立局部特定結(jié)構(gòu)與性能體系多孔框架的組裝方法與途徑。理解和認(rèn)識定向設(shè)計與構(gòu)筑的一些根本規(guī)律和原理，包括理解各種環(huán)境和外場條件對配合物結(jié)構(gòu)和性能影響的方法和規(guī)律。l 合成一批具有潛在優(yōu)良性能的多孔固體材料，包括具有優(yōu)異催化、磁性、吸附與別離如儲能、俘碳、及動態(tài)響應(yīng)性能的多孔化合物。l 初步建立相關(guān)表征方法，研究局部具有優(yōu)良物理化學(xué)性質(zhì)的新化合物的構(gòu)效關(guān)系；總結(jié)所合成多孔材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提高結(jié)構(gòu)預(yù)測和模擬的準(zhǔn)確程度。第三年l 進(jìn)一步完善配體和次級構(gòu)筑基元的優(yōu)化，并繼續(xù)深入研究配位鍵和共價鍵對多孔材料組裝的導(dǎo)向作用，完成假設(shè)干多孔化合物的系統(tǒng)組裝和性能表征。l 對合成的材料進(jìn)行詳

47、細(xì)的性能表征，主要為多孔性能。對材料的穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)考察，并通過對材料的各種氣體和液體的吸附行為研究全面認(rèn)識材料的多孔性質(zhì)。l 系統(tǒng)研究假設(shè)干重要簇基有機(jī)框架材料的磁功能，研究其可逆的吸附/脫附客體分子導(dǎo)致相應(yīng)的磁功能響應(yīng)；探索手性簇基有機(jī)框架材料的合成，研究其手性與磁性的關(guān)系。l 進(jìn)一步修飾有機(jī)小分子配體和無機(jī)功能組件，探索更有效的組裝途徑與合成方法，深入開發(fā)和提升局部手性多孔材料的功能。l 進(jìn)一步完善柔性配體和柔性多孔框架的設(shè)計，深入研究配合物晶體動態(tài)響應(yīng)行為的熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)理。l 通過調(diào)節(jié)晶體組裝方法以實(shí)現(xiàn)材料結(jié)晶過程中晶體的可控生長，開展特殊條件下的合成新方法，為可控合成特定結(jié)構(gòu)與性能材料提供技術(shù)支持。l 開展后修飾方法，對多孔框架化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，用以改善其性能。結(jié)合理論分析，深入理解影響此類多孔框架材料性能的共性問題。l 完成系列