随着纳米科学的不断发展,二维材料这类横向尺寸从数十纳米到数十微米甚至更大但厚度仅有几埃到几纳米的材料因具有很高的比表面积,丰富的表面π电子和催化活性位点,极佳的光电响应而被广泛应用于光伏、催化、生物医学、材料化学和工程学等多种领域。在这类材料中,二维金属有机框架,作为新兴的具有极大应用前景的纳米材料由于其独特的特性而受到极大关注。通过有机配体和金属节点相互连接而构建的二维MOFs材料通常具有可调的纳米级的厚度、高比表面积、暴露的活性位点、高的韧性以及光学透明性。这些特点赋予MOFs纳米片在气体分离、催化、传感和能量转换等方面优异的性质。然而以下几个方面却限制着二维MOFs材料的进一步发展:(i)目前为止,制备的MOFs纳米片的厚度并不均匀,单层的二维MOFs材料的制备依旧很困难;(ii)大多数MOFs纳米片的横向尺度都较小,一般都处于100 nm以内,而且缺陷很多;(iii)不同结构的MOFs纳米片因其表面上不同的孔而带来的性质差异较大。本论文以二维金属有机框架纳米片为主要研究对象,通过自下而上或者自上而下的方法将新合成的材料进行组装,形成具有纳米结构的系列二维材料。围绕得到的二维材料,研究不同的纳米片结构对性质的影响,探究其中存在的构效关系。此外还开展了新型卟啉基有机笼的设计合成、组装和电催化二氧化碳还原的研究。本论文研究内容如下:(1)金属-卟啉二维材料的合成组装以及在DNA检测上的应用我们设计合成了两种新型卟啉,并采用自下而上的技术—LB,将卟啉与金属离子组装为两种孔径大小不同的卟啉-金属纳米片,用于DNA的检测。在组装过程中准确控制纳米片的层数以及结构,确保了二维纳米材料的整体构成。在此基础上,通过改变组装单体的种类,组装层数等来研究性质差异,从而更好地理解构效关系。结果证明具有适合的孔径与层数的纳米片具有较高的选择性以及较低的检测限,侧面证实了其中的构效关系。(2)金属-卟啉二维材料在光电转换上的应用将卟啉与金属离子组装得到的纳米片应用于液接太阳能电池。实验结果证明卟啉作为染料分子,可以有效地进行光电转换,组装得到的二维材料保留了卟啉分子本身的性质。但是由于染料分子本身易于聚集,电池的光电转换效率较低。虽然将MOFs材料制备成二维纳米材料可以在一定程度上改善染料分子的聚集的特性,提高电池的光电转换效率,但是这种方法并没有充分利用纳米片有序结构的优点。纳米片的形成使得结构中带有孔洞,故而可以在纳米片中引入客体分子来进一步限制电子-空穴复合,进而在一定程度上促进电荷转移以提高光电转换效率。我们将与纳米片能级匹配的客体分子C60植入到纳米片中,实验结果发现随着C60浓度的增加,以纳米片为光阳极的电池的光电转换能力也在明显提升,为进一步提高太阳能电池的转换效率提出了新的方法。(3)二维MOFs纳米片到二维COFs纳米片的构筑在本章工作中,我们首次提出了从MOFs到COFs的概念,选取二维Ni3(HITP)2为初始材料,通过探索后合成反应条件将其转化成COFs材料。将Ni(DIB)2与1,1,3,3-四甲氧基丙烷在不同时间和溶剂条件下进行席夫碱成环反应(代表COFs基元),通过研究不同条件下反应生成物的晶型以及形貌变化探究转变为过程。结果证明MOFs到COFs的转变可以发生,且反应时间会很大程度上影响转变的完整度。通过将Ni3(HITP)2与COF-1纳米片应用于光催化二氧化碳还原,证实了 COF-1具有Ni3(HITP)2的催化性能,但是更深层次的结构以及性能差别还需要进一步的测试与研究。(4)卟啉有机笼二维组装及其电催化性质研究设计合成了一种新型的有机笼Porphyrin-NDI,并将金属化的有机笼组装得到二维材料,将其应用于电催化CO2还原。虽然卟啉分子以及NDI分子都具有一定的光活性,然而与其他大多数光催化材料性质类似,还原产物为多种产物的混合物,并不具有高效的选择性。在实验过程中发现有机笼在电催化二氧化碳还原中表现除了优异的性能,通过优化催化剂中碳掺杂比例以及电极电势,最终产物中一氧化碳与氢气的比例可以达到9:1,并且在催化反应连续进行10小时之后该化合物仍旧保持着80%以上的活性。以5,10,15,20-四(4-苯基)卟啉(TPP)为对比,发现在具有相同催化活性位点的情况下,有机笼的还原能力要明显高于Co-TPP。这是由于有机笼通过共价键连接形成一个内腔,从而具有较大的表面区域,增加了二氧化碳分子与催化中心的有效接触,使得催化活性中心可以将电荷转移至二氧化碳分子,实现有效还原。