【基金故事】2015年，中國發(fā)表的SCI論文中，62.1%的得到了它的資助；近年來(lái)，國家自然科學(xué)獎授獎成果，全部得到過(guò)它的支持。它，就是已有30年歷史的國家自然科學(xué)基金。在陜科大，有這么一批科研工作者，他們迎難而上、披荊斬棘，堅持奮斗在科研第一線(xiàn)，在2016年的國家自然科學(xué)基金上終有斬獲。我們開(kāi)辟【基金故事】欄目，聽(tīng)他們講述科研項目與創(chuàng )新、自然基金準備與申請背后的故事。
2016年青年基金項目： MOFs后合成替換的過(guò)程與機理研究及調控效應評價(jià)（No. 21601116）
項目介紹：
金屬-有機框架（Metal-Organic Frameworks，簡(jiǎn)稱(chēng)MOFs）是一類(lèi)具有孔穴率高、比表面積大、高度晶態(tài)、結構穩定、易于修飾調控等突出特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在能源氣體（H2，CH4）儲存、分離、催化、特殊光/電/磁效應、智能響應等多方面具有豐富功能應用的新型多孔材料。作為有機-無(wú)機雜化材料，MOFs的后合成金屬離子或有機配體替換提供了后合成修飾的新類(lèi)別，是實(shí)現更高層次的結構改良，性能提升，新性質(zhì)加載的新方法。針對目前后合成替換研究實(shí)例少，體系選擇規律性不高，對反應過(guò)程與機理理解不深的難點(diǎn)與挑戰，本項目擬構筑具有較高穩定性和孔穴率的簇基、柱-層、柱-鏈MOFs作為后合成替換研究母體；探索可能的后合成金屬離子或有機配體替換，并重點(diǎn)開(kāi)展替換過(guò)程與機理研究；以期獲得系列同構MOFs或雜化MOFs，實(shí)現結構及功能調控。
圖1 金屬-有機框架（MOFs）結構示意圖及其特點(diǎn)與功能應用
項目研究重點(diǎn)及創(chuàng )新點(diǎn)：
項目的研究重點(diǎn)是利用特定結構MOFs為母體，探尋后合成金屬離子或有機配體替換的新實(shí)例和新路線(xiàn)。研究金屬離子、配體，溶劑、濃度、溫度，抗衡離子等反應條件等對后合成替換速率，反應位點(diǎn)，替換完整性、可逆性的影響；以及多金屬或多配體共存體系中后合成替換的競爭性與選擇性，獲得對反應機理的理性認識。通過(guò)后合成替換反應條件控制，獲得金屬離子、有機配體不同的系列同構MOFs，以及可能的多金屬/配體共存型雜化MOFs。研究后合成替換對框架整體/局部、孔穴結構，及吸附、分子/離子捕獲、熒光、磁性、催化等可能性質(zhì)的調控。
項目主要創(chuàng )新之處在于相比MOFs 從合成，到組成和結構分析，再到性質(zhì)研究的策略，本項目主要進(jìn)行以MOFs 為原料的后合成替換研究，這是體系選擇上的創(chuàng )新之處。此外，在后合成修飾方面，相比于對體系設計，及結構和性質(zhì)研究的關(guān)注，本項目更注重后合成修飾過(guò)程與內在機理的探索，體現了研究方法創(chuàng )新之處。
圖2 項目研究思路示意簡(jiǎn)圖
項目研究發(fā)展前沿和應用前景：
新材料的研發(fā)是推動(dòng)科學(xué)發(fā)展與進(jìn)步的關(guān)鍵因素。MOFs作為一類(lèi)有望超越沸石、活性炭、有機高分子等傳統多孔材料、具有極大和廣泛應用前景的新型多孔化合物，是目前國際化學(xué)、材料、物理等多學(xué)科交叉前沿。近年來(lái)，美國、日本、歐洲、中國等多個(gè)國家或地區持續出臺多個(gè)專(zhuān)項計劃資助該領(lǐng)域，極大推動(dòng)了相關(guān)研究的發(fā)展，MOFs的一些關(guān)鍵技術(shù)指標得到極大提升。例如，2010年報道的MOF-210，每克材料（約半勺食鹽）的比表面積高達10400m2（相當于38個(gè)標準籃球場(chǎng)的面積），是當前發(fā)現的比表面積最大的多孔材料之一。盡管如此，MOFs距離滿(mǎn)足工業(yè)應用要求仍有較大距離。MOFs的結構修飾與改良，性質(zhì)功能的調控和提升成為目前推動(dòng)這類(lèi)材料最終走向功能應用的關(guān)鍵。后合成替換作為近期出現的新層次、處于起步階段的MOFs功能調變新方法，潛力巨大卻有諸多科學(xué)問(wèn)題有待解答。本項目的開(kāi)展將有望篩選出部分新的后合成替換MOFs 體系，發(fā)現一些新的后合成替換路線(xiàn)與類(lèi)型，初步總結出后合成替換的一些規律，以指導合理的后合成替換設計。對機理的了解能夠進(jìn)一步幫助反應條件的控制，獲得系列金屬、配體替換同構MOFs，比較結構及性質(zhì)上的差異及調控性，促進(jìn)構效關(guān)系的研究。特別是，通過(guò)后合成替換可能得的金屬或配體雜化MOFs，非均勻相MOFs等將為相關(guān)研究者提供一些探索更復雜組成MOFs體系，發(fā)現新現象或新性質(zhì)的難得機會(huì )。
項目負責人研究方向：
殷政，2015年6月博士畢業(yè)后進(jìn)入陜西科技大學(xué)，目前在化學(xué)與化工學(xué)院化學(xué)系從事教學(xué)科研工作。主要研究方向為MOFs類(lèi)功能配位聚合物材料的定向構筑、結構轉換、后合成修飾、孔/磁/光/電等性質(zhì)和相關(guān)物化性能效應關(guān)系，以及該類(lèi)材料在氣體吸附、小分子分離、智能響應、選擇性催化等方面的功能應用。
國家自然科學(xué)基金申報認識：
基金申報提供了一個(gè)梳理學(xué)科背景、把握學(xué)科挑戰與發(fā)展趨勢、指導個(gè)人科研發(fā)展的重要機會(huì )。本次青年基金項目申報積累的幾點(diǎn)體會(huì )簡(jiǎn)述如下：
（1）文獻調研是基礎。作為一項科研計劃，項目申請書(shū)總是基于學(xué)科內特定研究領(lǐng)域進(jìn)行陳述。對領(lǐng)域歷史背景，發(fā)展現狀與趨勢的深入了解是提出個(gè)人研究計劃的前提，因此需要進(jìn)行詳實(shí)的文獻調研。本項目準備前期，我對2007年MOFs后合成修飾出現以后至今近百篇文獻進(jìn)行了分析，仔細閱讀了30余篇核心研究論文與綜述，較好了解了后合成修飾這一小的研究領(lǐng)域，也正是在文獻閱讀思考中形成了初步的項目思路。
（2）科學(xué)問(wèn)題是關(guān)鍵。開(kāi)展科學(xué)研究的本質(zhì)目的是解決一定科學(xué)問(wèn)題。沒(méi)有科學(xué)問(wèn)題的申請書(shū)必然缺少靈魂與指引。其中特別需要注意的是，立項依據是為了引出科學(xué)問(wèn)題；研究?jì)热?、方案、方法路線(xiàn)是為了闡述如何解決問(wèn)題；預期目標反映科學(xué)問(wèn)題的解決程度。本項目的核心科學(xué)問(wèn)題就是目前很不清楚的MOFs后合成替換機理。我在這個(gè)問(wèn)題的凝練上的確花費了很長(cháng)時(shí)間，但是明確該問(wèn)題后，個(gè)人感覺(jué)申請書(shū)的撰寫(xiě)一下變得非常清楚明晰。
（3）同行指正查缺點(diǎn)。申請書(shū)初稿完成后，學(xué)院及科技處組織了部分同行專(zhuān)家對申請書(shū)進(jìn)行了評閱，我自己也將申請書(shū)傳給了博士導師及幾位博士同學(xué)進(jìn)行審讀，收到了許多非常重要的建議。例如，我自認為申請書(shū)很有條理，但卻有三位審讀人不同程度反映我的立項依據凌亂。此外，他們也發(fā)現了許多其它我自己沒(méi)有意識到的概念、格式、圖表、錯別字等方面的諸多問(wèn)題。審讀人前期的批評指正極大幫助了我提升申請書(shū)質(zhì)量。
（4）工作基礎不可缺。國家基金資助是競爭性評選，前期工作基礎事實(shí)上反映了申請人未來(lái)順利完成項目、實(shí)現預期目標的潛力。在本項目反饋的通訊評審意見(jiàn)中，三位評審專(zhuān)家中有兩位都明確提到了我博士期間的前期工作積累并給予正面評價(jià)。因此，個(gè)人認為，無(wú)論是已發(fā)表論文、專(zhuān)利，還是項目前期實(shí)驗數據，乃至個(gè)人研究背景等，都應在申請書(shū)中盡量充分體現，為項目提供充分支撐。
（核稿：崔楠 編輯：杜楊 學(xué)生編輯：康松磊）
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