《多孔配位聚合物的结构设计与性能调控》

该项目以多孔配位聚合物为研究对象,以“功能导向的晶体材料设计”为突破口,发展配位和共价导向的晶体工程方法与理论,揭示决定多孔晶态材料宏观性质的功能基元及其在空间的集成方式,深化对多孔材料功能特性和功能基元本质的认识,开展具有重大科学意义和应用前景的功能多孔材料的设计、合成和应用探索研究,为实现多孔材料功能导向的结构设计和可控制备提供新理论和新方法,为国家创造具有自主知识产权的新材料和新技术。

1.项目主要技术内容:

该项目以多孔配位聚合物的定向构筑为基础,设计合成具有特定结构与孔道的多孔配位聚合物材料,深入研究具有吸附、分离、检测及其它复合功能的新型材料,探索功能基元的调控与材料的稳定性及理化性能之间的关联,阐明目标体系中功能基元对配位聚合物材料的性能影响及其协同关联效应。具体内容包括以下几个方面:

(1)以具有特定孔道形状及笼状结构的配位聚合物材料为平台的功能化模块修饰。利用拓扑学原理及分子基构筑基元的合成方法,设计制备了具有特定孔道形状及笼状结构的配位聚合物材料,同时以修饰有不同基团的功能基元构筑模块对材料的稳定性及多孔性进行调控,从而实现其对不同气体分子的高效选择性吸附与分离。

(2)外因诱导下具有特定孔道的配位聚合物的构效关系研究。通过外因施加得到具有超分子异构特性的配位聚合物材料,进一步研究其结构间的微小差异所导致的气体吸附及动态效应变化,并辅助以分子动力学模拟及密度泛函理论计算,解释其结构与性能之间的内在关系,总结归纳了配位聚合物材料的结构特点与结构能量之间的依赖性。

(3)以配位键为驱动,从功能需求出发设计多孔配位聚合物,根据结构基元、次级结构基元以及拓扑结构来优化合成途径,实现具有预期性能的目标材料的定向组装与可控合成;探索有机配体以及客体分子对多孔配位聚合物结构与性能的影响规律;建立构效关系,进而实现性能的优化和调控。

2.项目的科学创新:

该项目结合了传统配位聚合物材料与功能化模块的不同特性,从分子水平解决材料的可控合成与定向组装。这些基于材料本身的创新,有望从分子设计走向材料设计,从基础性能研究发展到可能的实际应用。以功能探索引导合成的原始创新,把握基础性、前沿性、前瞻性和交叉性等研究特色,发展面向化学工业和能源环境等领域重点需求的功能化配位聚合物材料。

3.项目的科学意义:

该项目研究成果对于发展新的化学和材料学理论增长点,研发具有实际应用价值的配位聚合物材料具有重要的理论意义与实际价值。该项目开创了多种有效的设计策略与合成方法,并制备了系列新型配位聚合物材料,在配位聚合物材料的构筑与性能研究方面做出了大量的创新性探索,研究成果获得国内外同行的广泛关注,并被大量引用与评述。

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