金属有机框架材料(MOFs)因其比表面积大,孔径、金属节点和有机配体可调变等特点,使得它在气体存储与分离、化学传感、催化等领域表现出了良好的应用前景,其中,在催化领域中的应用尤为突出。目前传统方法制备的MOF材料大多是数百纳米或微米尺度的粉末颗粒。这种尺寸的颗粒不仅暴露活性位点少,而且微孔孔径扩散阻力大,扩散距离长,这些因素限制了 MOF材料在催化中的催化效率。本文针对这一问题,通过设计合成低维结构MOF材料,如超薄MOF纳米带、超薄二维MOF纳米片阵列等来提高MOF基材料在催化中的性能,主要内容及结论如下:1.建立了一种纳米颗粒(NPs)@小尺寸MOF(<50nm)复合材料的合成方法。NPs@MOF复合材料能实现很好的择形催化,但由于反应底物从MOF外表面扩散至NPs活性位点的距离长,扩散效率低,从而降低了此类复合材料的催化效率。针对这个问题,我们在MOF包覆金属NPs的生长过程中通过加入调节剂来控制MOF的成核速率,从而实现了复合材料中MOF的尺寸调控。通过控制调节剂的加入量,成功合成了一系列NPs@小尺寸MOF(<50nm)复合材料。我们以硝基苯串联制苯胺和烯烃加氢为探针反应分别研究了不同尺寸Pt@UiO-66和Pt@ZIF-8复合材料的催化性能,发现通过减小复合材料中MOF的尺寸,能有效缩短反应底物从MOF外表面扩散至NPs活性位点的距离,在保证其尺寸选择性的同时又有效地提升了该类复合材料的催化效率。2.提出了一种合成超薄单晶MOF纳米带的新方法。我们以金属氢氧化物为MOF合成金属源,通过控制氢氧化物中金属离子的溶出速率来调控MOF生长动力学过程,成功合成了一系列超薄单晶MOF纳米带。通过对转化过程的研究我们发现,金属氢氧化物在MOF纳米带的形成中起着重要作用,它不但能提供初期成核位点,同时也能控制金属离子的释放速度使MOF纳米带沿优势晶面取向生长。以苯乙烯环氧化作为探针反应,我们研究了超薄单晶MOF纳米带的催化性能,发现超薄MOF纳米带相比于块体MOF而言,其暴露出更多的表面活性位点,减少了催化过程中反应分子的扩散阻力,有效地提升了 MOF材料的催化性能。同时,在DNA检测应用中纳米带相比于块体MOF也表现出了明显的结构优势。3.发展了一种普适的超薄二维MOF纳米片阵列的合成方法。传统的块体MOF因导电性差,内部活性位点利用率低等因素限制了其在电催化中的应用。针对这一问题,我们发展了一种通用的超薄二维MOF纳米片阵列的构筑方法。以生长在基底上的水滑石阵列为MOF金属源,通过水热反应将水滑石阵列原位转化为超薄二维MOF阵列。利用该方法,我们实现了在不同导电基底(如碳布、碳纸等)上多种二维MOF阵列的有效合成。构筑超薄二维MOF阵列能有效增加活性位点的暴露,促进电催化过程中的传质速率,提高电极材料的导电性和稳定性。同时,也避免了粉末MOF繁琐的电极制备过程及其在制备过程中引起的团聚失活等问题。因此,所制备的超薄二维MOF阵列在析氧反应(OER)中与二维MOF粉末相比表现出了更好的催化活性和稳定性。4.提出了一种以二维MOF为模板构筑具有丰富边缘活性位点水滑石的方法。MOF因比表面积大、孔隙度高及金属节点可调等特点使其成为理想的催化剂前驱体。其中,用二维MOF作为催化剂前驱体不但能继承MOF的优点,同时还能发挥二维材料的结构优势。我们以超薄NiFe-MOF纳米片阵列为前体,通过在碱液中电化学处理,将该超薄NiFe-MOF纳米片原位转化为具有丰富边缘位点的NiFe水滑石。所得的NiFe水滑石材料表现出优异的OER性能,电流密度达到10 mA/cm2,其过电势仅需205 mV,同时能保持20h以上的循环稳定性。通过原位拉曼的表征,揭示了该NiFe水滑石优异的OER性能主要是因为其丰富的边缘活性位点促进了活性物质γ-NiOOH的生成。利用该转化方法,我们也成功合成了具有丰富边缘活性位点的NiCo和CoFe水滑石。