金属-有机骨架化合物(metal-organic frameworks,简称MOFs)是指由金属离子或金属簇与有机配体连接而成的具有高度有序结构的晶体材料。近年来,由于其丰富多样的拓扑结构以及在气体储存、分离、多相催化、分子与离子交换、手性拆分、分子传感、磁性以及电化学等方面的潜在应用价值,MOFs成为多孔材料的一个重要分支,受到科研工作者的广泛关注。作为一种新型的分子功能材料,MOFs具有独特的孔道形状以及可调节的孔道尺寸,这使其在多相催化领域具有巨大的潜在应用价值。其中,作为非均相路易斯酸催化剂的三价金属化合物也成为研究的热点。含有三价金属钪的化合物在有机反应中能够表现出较高的立体选择性催化性能,在精细化工和制药行业有着巨大的应用潜力。因此,我们希望在总结已报道的具有催化性能的MOFs的合成基础上,采取水热方法,以有机羧酸为配体设计合成具有不同孔道尺寸和多样孔道形状的新型金属钪有机骨架化合物(Sc-MOFs),并将这些Sc-MOFs材料作为非均相路易斯酸催化剂用于有机反应中,研究这些新型催化剂在有机反应中的催化性能、可循环使用的效率以及结构与催化效果之间的关系。这些研究对于开发具有高效选择性并可循环利用的新型绿色催化剂具有重要意义。迄今为止,已有很多科研工作者对微孔MOFs材料和介孔材料进行了详细的研究并取得了丰硕的成果,但大多数MOFs材料的孔径都局限在微孔尺度,限制了客体分子在其中的扩散和传质过程。作为交叉研究领域下产生的新型材料,介孔MOFs材料同时具备介孔材料和微孔MOFs材料的双重特性,较传统的多孔材料而言具有更加优异的性能,是一类极具应用价值的多功能复合材料。虽然可以通过拓展配体或者引入模板剂的方法来制备介孔MOFs材料,但目前真正成功的例子并不多,其原因可以归结于以下几点:1、通过特殊配体合成的大孔径MOFs材料在除去客体分子后,其骨架结构容易发生坍塌;2、介孔MOFs材料容易形成穿插结构,无法得到理想的增容效果;3、利用模板法制备介孔MOFs材料,通常都需要比较特殊的添加剂或实验条件。因此,如何运用简便、有效、重复性高的方法制备具有较高比表面积、较大孔径、较大孔容及可调节孔道的稳定介孔MOFs材料,仍然是我们面临的巨大挑战。本论文根据MOFs材料和介孔材料的最新发展动态,致力于运用简单、有效的方法制备新颖、独特、具有广泛应用价值的微孔-介孔MOFs材料,并对合成材料的结构特性及性能应用进行了研究,取得了以下研究成果:1.在水热条件下,以含氮的有机羧酸,2,3-吡啶二羧酸(H2pydc)为有机配体,与含有不同阴离子的Sc的金属盐反应,通过改变实验条件,设计合成了以下三个具有不同维度的Sc-MOFs:[Sc(pydc)(Hpydc)(H2O)]·H2O(1),[Sc2(pydc)3(H2O)4]·5H2O(2)和[Sc(pydc)(H2O)(NO3)](3)。化合物1是一个具有一维T型链状结构的化合物,化合物2是一个具有二维波浪形层状结构的化合物,化合物3是一个具有三维nbo-a拓扑结构的化合物。结构分析表明,这三个化合物具有相似的Sc2(pydc)2结构基元。此外,由于这三个化合物都具有较高的水稳定性和热稳定性,三者均可作为非均相路易斯酸催化剂用于硅腈化反应,能在温和的反应条件下有效地促进反应的进行,并且都表现出了良好的催化活性,符合绿色化学的要求,表现出良好的应用前景。2.通过简单、有效、绿色的无模板策略,在溶剂热条件下成功制备了一系列Cu-BTC的多级孔MOFs材料。XRD、SEM和TEM表征结果证明这些多级孔MOFs材料是由Cu-BTC纳米颗粒组成,Cu-BTC纳米颗粒通过进一步的堆积形成了材料中的介孔。N2吸附测试结果表明这些材料中同时存在微孔和介孔,且孔径分布较为狭窄,介孔尺寸也可以通过简单地改变反应温度来实现调控。合成的多级孔材料可用作电化学催化剂促使氧还原反应(ORR)的进行。本工作采用无模板的策略,将微孔MOFs材料和介孔材料紧密联系起来,这种绿色、简便的合成方法为今后新型复合材料的制备提供了新的思路。3.利用Cu-BTC多级孔MOF材料,成功地实现了对枯草芽孢杆菌脂肪酶(BSL2)的担载。担载前,利用非离子型表面活性剂2C18?9GE对BSL2脂肪酶进行修饰来提高BSL2脂肪酶的固定化效率和稳定性。随后,通过对担载量、p H值以及温度的考察,确定了最佳的反应条件。在异辛烷的有机溶剂体系下,固定化后的BSL2脂肪酶作为非均相生物催化剂,能够有效地促进月桂酸和苯甲醇酯化反应的进行,表现出良好的催化活性,循环使用十次之后依然保持90.7%的初始活力。这项研究表明多级孔MOF材料可以作为一种新型的主体基质材料对大分子的酶进行固定化,并在温和条件下用于催化反应,这为MOFs材料在生物领域的应用开辟了新的方向。4.选择具有较大孔径的介孔二氧化硅FDU-12材料为硬模板,通过多次“浸渍-焙烧”的方法,成功地实现了Zn O前驱物在FDU-12孔道中的有效填充,随后在温和条件下进行Zn O到ZIF-8的转化,最后除去硬模板,得到了ZIF-8金属有机骨架材料。SEM及TEM结果证明制得的ZIF-8材料具有介观结构。此工作结合了介孔材料和MOFs材料的核心思想,通过硬模板的合成策略制备介观材料,这为将来制备新颖的多功能复合型材料打下良好的基础。