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新型纳米多孔材料,如金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)和共价有机骨架材料(Covalent Organic Frameworks, COFs),具有孔尺寸可调控性、结构可设计性及可功能化等特性,在吸附分离、膜分离领域受到了广泛的关注。本工作利用实验与计算模拟相结合的方法,对MOF材料在液相吸附分离以及COF材料在气体吸附分离、膜分离方面的应用进行了研究,并通过机理探索、材料构效关系建立及结构设计实现材料的性能调控。主要工作如下：1.对46种COF材料建立数据库,考察了它们对烟道气(CO2/N2)的分离性能。通过构效关系研究发现,具有层状结构的2D-COF可以通过层间平移进行结构重整形成狭缝孔(6～7 A,层间距,原子质心间距离),对吸附的CO2分子产生“夹板效应”。静电势研究表明,结构重整后的2D-COF孔通道内的静电势强度和梯度得到了强化,提供了有利于CO2吸附的微环境,因此2D-COF材料的CO2/N2分离选择性实现了5-12倍的提升。基此,提出了通过结构重整产生“夹板效应”,强化2D-COF材料烟道气分离性能的设计策略。2.采用计算化学手段,考察了46种COF材料在变压分离(PSA)过程中对CH4/H2, CO2/H2, CO2/CH4的吸附分离性能,发现在选择吸附CO2的体系中,含有小孔结构的COF材料(孔径3～7 A)和强静电作用官能团的材料,分离性能较好；而在CH4/H2体系中,能为CH4提供足够强的范德华作用力的小孔材料,性能更突出。此外,将第二章提出的设计策略进一步用于CH4/H2和C02/H2体系,发现这些材料兼具了高选择性和高工作容量的特点,其分离性能超过了很多工业用沸石材料,进一步证明了本工作提出的“结构重整”强化2D-COF材料分离性能的设计策略的普适性。3.将“结构重整”的思路用于膜分离材料的设计,运用计算模拟手段,以孔结构规整的层状2D-CTF-1为母体,将其进行剥离与重新堆叠,获得了一系列对C02/N2的选择性从低到高再至分子筛分功能的超薄膜材料,且C02通量达到105～106 GPU。此外,通过研究气体在膜内的扩散机理,提出了通过构筑有利的能量微环境来强化超薄膜分离性能的新的设计策略。新材料的分离性能远远超过了工业上常用的膜材料,突破了传统聚合物膜中的选择性与通量的制约关系,为膜分离材料领域提供了新的储备材料。4.将配体相同、金属不同的水稳定介孔MIL-100(Fe,Cr)用于染料甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)的吸附,及MO/MB混合染料的分离。实验表明MIL-100(Fe, Cr)对MB的吸附性能接近,而对MO的吸附表现出很大的差异。并通过对MO/MB混合物的吸附,发现MIL-100(Fe, Cr)可分别用于MO/MB的同时脱除及MO/MB的分离(选择性吸附MB)。通过模拟计算发现,在MIL-100(Cr)中MO与溶剂水的竞争吸附作用更强,导致MO在MIL-100(Cr)中的吸附动力学缓慢。该工作表明MOF材料在吸附水中染料大分子方面表现出良好的性能,并提出了通过替换金属使MOF满足不同的液相分离要求的学术思路。5. 通过选用几种水稳定的MOF材料,进行水中有机砷化合物对氨基苯胂酸(ASA)硝酚胂酸(ROX)的脱除。吸附实验结果表明MIL-100(Fe)的吸附性能要远远优于活性炭、Y沸石、针铁矿和其他MOF材料。借助计算模拟研究机理发现,其可能是因为H20分子更容易从MIL-100(Fe)表面解析有关。MIL-100(Fe)经过酸性乙醇再生后,有良好的循环使用性能。