共价有机骨架化合物(COFs)是一类由碳,氢,氧,氮等轻质元素通过可逆共价键连接的多孔晶体材料。COFs材料合成方法基于动态共价化学(DCC),这种方法通过热力学控制成键-断键-再成键的方式形成可逆的共价键,并在这个过程中伴随着“自我诊断”和“自我修复”的过程,终形成一个结构有序、热力学稳定的晶体COFs材料。COFs材料有着密度低,比表面积大,孔径分布均匀,化学和热稳定性高,结构可以调控等优点,在气体分离、储存、催化、能量转换和储存、光电等方面的应用展示出巨大的潜力。本论文围绕COFs材料结构特点和性质的关系,设计并合成了一系列结构新颖的COFs材料,通过调节骨架的组成,构建了一些列有特殊性质的COFs材料,并研究其在CO2高压吸附、CO2低压吸附、CO2光催化还原、荧光传感等方面的应用。主要内容包括:第一章:概述了 COFs材料的研究背景及现状,并详细介绍了 COFs材料的设计理念和思路,COFs材料的合成方法及存在的困难、COFs材料表征方法及和COFs材料在各个方向的应用研究举例。第二章:不同孔径富氮共价有机骨架化合物(COFs)合成及高压二氧化碳吸附研究。采用自下而上的方法,设计并合成了三个具有不同孔径的大比表面和高含氮量的COFs材料,这些特点不仅有利于提高CO2吸附量,而且还有助于平行地对比研究各种因素对于CO2吸附的影响。COF-SDU1的CO2吸附量高达741 mg g-1远高于其他一些多孔材料,展现出COFs材料在CO2吸附方面的优势。三个COFs材料可以通过控制变量两两比较,从吸附结果上来看,表面积对于高压CO2吸附总量的影响大于孔径的影响,而孔径的影响又大于氮原子含量的影响;从吸附过程上来看,氮原子对于CO2吸附的影响仅限于压力低时(<1bar);当压力小于25bar时,比表面积为影响吸附的主导因素;当压力大于25bar时,孔径开始影响吸附。我们通过计算机模拟高压CO2吸附,模拟的结果与实验结果一致,并证实了我们对于吸附过程的猜想。因此,对于设计COFs材料用来进行高压CO2吸附并进一步利用,如CO2还原成甲酸或者CO2环加成来说,大比表面积和大孔径是首要的设计原则。第三章新型一维共价有机骨架化合物。首次使用卟啉分子和直角构建单元成功合成了结构新颖的一维COF-K。不同于先前报道的二维卟啉COFs材料,卟啉分子分别连接了四个线性构建单元从而形成二维网状结构;而在COF-K中卟啉分子分别与四个直角的构建单元连接,从而形成一维带状结构。COF-K的氮气吸脱附曲线为典型的I类曲线,表明其为一种微孔材料,孔径分布集中在1.25nm。小孔有利于CO2低压吸附,在273K,lbar的条件下,吸附量可以达到89mg g-1高于二维卟啉COFs材料。通过计算机模拟得到的合理的结构与预先设计的结构相同,模拟结构的XRD衍射花样与实验测得衍射花样一致,另外模拟结构的孔径也与实测孔径吻合,从另一个角度证明了模拟结构的合理性。这种构建策略开创了一种合成一维COFs材料新的方法,拓展了 COFs材料种类和数量,为将来探索其应用奠定了基础。第四章基于金属卟啉结构的共价有机骨架化合物合成及光催化CO2还原性质研究。首次采用一步法合成了钴、镍、锰三种金属卟啉共价有机骨架化合物。其中钴和镍均匀分布在卟啉中心,而锰则是以二氧化锰纳米颗粒附着于材料表面。引入金属后并不会对材料本身的结构和形貌产生影响,但是会影响到材料带隙和能级以及催化能力。三种COFs材料对于可见光有较大的吸收范围,最大吸收边可以达到700nm以上,这说明材料对可见光有很好的利用性,在光催化过程中并不需要额外添加光敏剂。COF-K的导带位于-0.21 eV,并没有还原CO2的能力,加入金属后三个COFs材料能级变低,其导带位置满足CO2还原的要求。第五章基于苝二酰亚胺的三维共价有机骨架化合物。设计并合成了 N,N-二环己基-1,7-二(3-羟基-4-醛基苯氧基)-3,4,9,10-苝二酰亚胺作为醛基构建单元,四氨基苯基甲烷作为三维氨基构建单元,并使用这两个构建单元初步尝试合成三维荧光COF-PDI。鉴于三维COFs材料合成难度远大于二维COFs材料,在有限次的尝试中还没有得到COF-PDI。