金属-有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks,MOFs）是一类由金属离子与有机连接体之间通过强化学键形成的多孔材料。MOFs材料结构多样、比表面积大,与传统的多孔材料如沸石和碳材料相比,MOFs具有较高的孔隙率、可调节的孔隙和多样的功能位点。这些优势使MOFs作为功能材料在气体吸附、分离、催化和传感等领域被广泛研究。然而,大部分的相关报道都集中在粉末状MOFs材料上。在某些应用领域,粉末状的MOFs晶体会带来一些问题,如在烟气吸附分离过程中会堵塞管道,粒子聚集可能导致催化能力下降,更重要的是不易分离回收并重新使用。从分离和回收的角度出发,MOFs薄膜比MOFs粉末更具有优势,因为将薄膜从反应体系中取出不需要任何分离操作。因此,设计和制备具有一定功能的MOFs薄膜受到了越来越多的关注。静电纺丝是一种便捷、有效的制备功能性纳米纤维膜（nanofirous membrane,NFM）的代表性技术,所制备的NFMs具有孔隙率高、比表面积大、结构可调、易于表面改性等优点。与其他薄膜相比,静电纺丝NFMs的比表面积要高出1～2个数量级。近年来,通过静电纺丝技术制备MOFs NFMs引起了大量关注,主要是因为通过这种技术可将MOFs颗粒转化为自支撑的、具备柔韧性的MOFs NFMs。采用静电纺丝法制备的MOFs NFMs已被报道应用于多个领域,如空气过滤、气体捕获、重金属/放射性金属吸附和传感检测等。大部分的MOFs NFMs是通过MOFs晶体和聚合物的共混纺丝制备的。由于MOFs粒子被包埋在聚合物基体中,在实际应用中,复合纤维膜的活性位点会大幅减少。曾有研究通过微波辐射法将MOFs晶体直接生长在聚丙烯腈静电纺丝纤维膜表面,但由于MOFs粒子与聚合物基体之间缺乏相互作用,MOFs晶体在聚合物表面并不稳定,很容易脱落。因此,设计制备稳定的MOFs NFMs,并研究其在分离、传感和催化方面的应用具有一定的意义。本论文运用静电纺丝技术,采用不同的方法制备了 3种具备不同功能的MOFs NFMs。通过扫描电镜、透射电镜、红外光谱,X-射线粉末衍射和X-射线光电子能谱等对所制备的MOFs NFMs进行了表征,并对其在分离、传感和光催化方面的性能进行了研究。本论文的主要成果如下:1.以聚丙烯腈（PAN）为模板,通过混合纺丝将具有阴离子骨架的bio-MOF-1包覆到PAN纳米纤维基体中,制备了 bio-MOF/PAN纳米纤维过滤器,用于选择性吸附水溶液中的阳离子染料。据报道,bio-MOF-1在水中放置数周仍然可以维持晶体结构完好。PAN之所以被选择作为负载bio-MOF-1的基体,主要是因为PAN具有机械性能优异、不溶于水、价格低廉和亲水性好等优势。更重要的是,PAN中的C≡N是亲核基团,具备吸附阳离子的能力。因此,在吸附有机染料的过程中,PAN与bio-MOF-1具有协同相互作用。由于bio-MOF-1中的NH₂（CH₃）₂⁺阳离子和PAN中的C≡N基团的存在,bio-MOF-1晶体和PAN纳米纤维都只能吸附阳离子染料,而对中性染料和阴离子染料几乎没有吸附效果。得益于静电纺丝纤维膜、PAN和bio-MOF-1的整体优势,bio-MOF/PAN过滤器不仅展示出了快速吸附亚甲基蓝（MB⁺）的能力,而且可以将MB⁺从混合染料的水溶液中迅速分离出来。更重要的是,bio-MOF/PAN过滤器通过离子交换过程可以有效再生。经过五次过滤-再生循环,对MB⁺仍能保持稳定的吸附量,说明bio-MOF/PAN过滤器可以满足长期使用的需要。该部分工作可为MOFs纳米纤维膜过滤器的开发及其在快速分离和纯化废水中有机染料方面的应用提供一个新的视角。2.通过在γ-氨基丁酸（GABA）修饰的PAN纳米纤维表面原位生长Eu-MOF晶体,制备了一种稳定的荧光NFM。这种NFM可作为简便的荧光试纸用于快速、循环检测硝基苯（NB）。PAN中含有大量的活性腈基,可用于进行表面修饰反应。GABA作为接枝剂不仅可以在PAN纳米纤维表面引入大量的配位位点（羧基）,用于锚定Eu-MOF粒子,而且其本身相对较长的碳链可以减少接枝反应和晶体生长过程中的空间位阻。先在PAN NFM上接枝GABA,然后再在PAN-GABA NFM上原位生长Eu-MOF晶体。由于大量的羧基被引入到纳米纤维基体中用于锚定Eu-MOF粒子,所制备的PAN-GABA@Eu-MOF NFM在荧光传感实验中非常稳定,重复使用多次仍能保持恒定的淬灭率。另外,得益于静电纺丝纤维膜的优势,该荧光试纸再生前后不需要任何分离操作,因此,其“淬灭-发光”的荧光切换过程与粉末状传感器相比更为简便和快速。这部分工作将为基于静电纺丝纤维和MOFs晶体材料的快速、稳定、可重复使用的传感器的开发提供一种新的思路。3.通过在交联的聚丙烯酸-聚乙烯醇（PAA-PVA）NFM表面原位生长磷钨酸(H₃PW₁₂O₄₀,PW₁₂)@UiO-66晶体,制备了PAA-PVA/PW₁₂@UiO-66 NFM,作为光催化剂同步降解水溶液中的甲基橙（MO）和甲醛（FA）两种污染物。PAA中含有大量羧基,可作为MOFs晶体原位生长的位点。为解决PAA的水溶性问题,通过混合纺丝引入PVA与其进行部分交联。UiO-66在水和酸溶液中均具有良好的耐受性,且本身也具备一定的光催化活性,对光催化反应具有促进作用。在FA存在的条件下,PAA-PVA/PW₁₂@UiO-66 NFM对MO表现出优异的降解效率,120 min内对甲基橙的降解率可达97.35%。这主要归因于MO在FA存在条件下通过还原路径降解。H₃PW₁₂O₄₀先吸收光能转变成激发态,然后接受甲醛提供的电子还原成H₄PW₁₂O₄₀,同时FA被氧化降解。H₄PW₁₂O₄₀具有非常强的还原性,最终会将MO迅速还原降解。电子从FA转移到H₃PW₁₂O₄₀可能是该光催化反应的决速步骤,因此,H₄PW₁₂O₄₀的产生速率可能对MO的降解效率起着至关重要的作用。PAA-PVA/PW₁₂@UiO-66NFM具有优异的重复使用能力,易于从光催化体系中分离并重新使用,循环使用5次,依然保持较高的光催化活性。