【基金故事】2015年，中国发表的SCI论文中，62.1%的得到了它的资助；近年来，国家自然科学奖授奖成果，全部得到过它的支持。它，就是已有30年历史的国家自然科学基金。在陕科大，有这么一批科研工作者，他们迎难而上、披荆斩棘，坚持奋斗在科研第一线，在2016年的国家自然科学基金上终有斩获。我们开辟【基金故事】栏目，听他们讲述科研项目与创新、自然基金准备与申请背后的故事。
2016年青年基金项目： MOFs后合成替换的过程与机理研究及调控效应评价（No. 21601116）
项目介绍：
金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）是一类具有孔穴率高、比表面积大、高度晶态、结构稳定、易于修饰调控等突出特点和优点，在能源气体（H2，CH4）储存、分离、催化、特殊光/电/磁效应、智能响应等多方面具有丰富功能应用的新型多孔材料。作为有机-无机杂化材料，MOFs的后合成金属离子或有机配体替换提供了后合成修饰的新类别，是实现更高层次的结构改良，性能提升，新性质加载的新方法。针对目前后合成替换研究实例少，体系选择规律性不高，对反应过程与机理理解不深的难点与挑战，本项目拟构筑具有较高稳定性和孔穴率的簇基、柱-层、柱-链MOFs作为后合成替换研究母体；探索可能的后合成金属离子或有机配体替换，并重点开展替换过程与机理研究；以期获得系列同构MOFs或杂化MOFs，实现结构及功能调控。
图1 金属-有机框架（MOFs）结构示意图及其特点与功能应用
项目研究重点及创新点：
项目的研究重点是利用特定结构MOFs为母体，探寻后合成金属离子或有机配体替换的新实例和新路线。研究金属离子、配体，溶剂、浓度、温度，抗衡离子等反应条件等对后合成替换速率，反应位点，替换完整性、可逆性的影响；以及多金属或多配体共存体系中后合成替换的竞争性与选择性，获得对反应机理的理性认识。通过后合成替换反应条件控制，获得金属离子、有机配体不同的系列同构MOFs，以及可能的多金属/配体共存型杂化MOFs。研究后合成替换对框架整体/局部、孔穴结构，及吸附、分子/离子捕获、荧光、磁性、催化等可能性质的调控。
项目主要创新之处在于相比MOFs 从合成，到组成和结构分析，再到性质研究的策略，本项目主要进行以MOFs 为原料的后合成替换研究，这是体系选择上的创新之处。此外，在后合成修饰方面，相比于对体系设计，及结构和性质研究的关注，本项目更注重后合成修饰过程与内在机理的探索，体现了研究方法创新之处。
图2 项目研究思路示意简图
项目研究发展前沿和应用前景：
新材料的研发是推动科学发展与进步的关键因素。MOFs作为一类有望超越沸石、活性炭、有机高分子等传统多孔材料、具有极大和广泛应用前景的新型多孔化合物，是目前国际化学、材料、物理等多学科交叉前沿。近年来，美国、日本、欧洲、中国等多个国家或地区持续出台多个专项计划资助该领域，极大推动了相关研究的发展，MOFs的一些关键技术指标得到极大提升。例如，2010年报道的MOF-210，每克材料（约半勺食盐）的比表面积高达10400m²（相当于38个标准篮球场的面积），是当前发现的比表面积最大的多孔材料之一。尽管如此，MOFs距离满足工业应用要求仍有较大距离。MOFs的结构修饰与改良，性质功能的调控和提升成为目前推动这类材料最终走向功能应用的关键。后合成替换作为近期出现的新层次、处于起步阶段的MOFs功能调变新方法，潜力巨大却有诸多科学问题有待解答。本项目的开展将有望筛选出部分新的后合成替换MOFs 体系，发现一些新的后合成替换路线与类型，初步总结出后合成替换的一些规律，以指导合理的后合成替换设计。对机理的了解能够进一步帮助反应条件的控制，获得系列金属、配体替换同构MOFs，比较结构及性质上的差异及调控性，促进构效关系的研究。特别是，通过后合成替换可能得的金属或配体杂化MOFs，非均匀相MOFs等将为相关研究者提供一些探索更复杂组成MOFs体系，发现新现象或新性质的难得机会。
项目负责人研究方向：
殷政，2015年6月博士毕业后进入陕西科技大学，目前在学院化学系从事教学科研工作。主要研究方向为MOFs类功能配位聚合物材料的定向构筑、结构转换、后合成修饰、孔/磁/光/电等性质和相关物化性能效应关系，以及该类材料在气体吸附、小分子分离、智能响应、选择性催化等方面的功能应用。
国家自然科学基金申报认识：
基金申报提供了一个梳理学科背景、把握学科挑战与发展趋势、指导个人科研发展的重要机会。本次青年基金项目申报积累的几点体会简述如下：
（1）文献调研是基础。作为一项科研计划，项目申请书总是基于学科内特定研究领域进行陈述。对领域历史背景，发展现状与趋势的深入了解是提出个人研究计划的前提，因此需要进行详实的文献调研。本项目准备前期，我对2007年MOFs后合成修饰出现以后至今近百篇文献进行了分析，仔细阅读了30余篇核心研究论文与综述，较好了解了后合成修饰这一小的研究领域，也正是在文献阅读思考中形成了初步的项目思路。
（2）科学问题是关键。开展科学研究的本质目的是解决一定科学问题。没有科学问题的申请书必然缺少灵魂与指引。其中特别需要注意的是，立项依据是为了引出科学问题；研究内容、方案、方法路线是为了阐述如何解决问题；预期目标反映科学问题的解决程度。本项目的核心科学问题就是目前很不清楚的MOFs后合成替换机理。我在这个问题的凝练上的确花费了很长时间，但是明确该问题后，个人感觉申请书的撰写一下变得非常清楚明晰。
（3）同行指正查缺点。申请书初稿完成后，学院及科技处组织了部分同行专家对申请书进行了评阅，我自己也将申请书传给了博士导师及几位博士同学进行审读，收到了许多非常重要的建议。例如，我自认为申请书很有条理，但却有三位审读人不同程度反映我的立项依据凌乱。此外，他们也发现了许多其它我自己没有意识到的概念、格式、图表、错别字等方面的诸多问题。审读人前期的批评指正极大帮助了我提升申请书质量。
（4）工作基础不可缺。国家基金资助是竞争性评选，前期工作基础事实上反映了申请人未来顺利完成项目、实现预期目标的潜力。在本项目反馈的通讯评审意见中，三位评审专家中有两位都明确提到了我博士期间的前期工作积累并给予正面评价。因此，个人认为，无论是已发表论文、专利，还是项目前期实验数据，乃至个人研究背景等，都应在申请书中尽量充分体现，为项目提供充分支撑。
