随着工业化的快速发展,越来越多的有毒有害气体被排放到大气中,这些气体严重影响了生态环境并威胁到人身安全。其中CO₂和H₂S是两个代表性的有害气体。CO₂大量排放加剧了全球温室效应,对燃烧后烟气中CO₂选择性捕捉和分离是一种有效地减少二氧化碳的方式。在燃烧后捕捉过程中,常用的CO₂捕捉剂是有机胺。但有机胺的再生过程需要消耗大量的能量,导致成本增加,因此需要开发物理类固体捕捉剂新材料。H₂S参与人体内很多生理过程,异常浓度的H₂S与唐氏综合症、癌症等病变有关,所以对生物系统中H₂S的检测具有重要意义。荧光检测H₂S的方法具有灵敏度高、响应快、能原位实时检测等优点,已被广泛使用。但常用的荧光探针往往是有机小分子,有机小分子存在的高毒性等问题限制了它们在活体细胞中的长期使用,因此需要开发无毒的新的H₂S荧光检测体系。金属有机骨架材料具有高比表面积、可控的孔道结构和丰富的官能团等优点,在气体储存、分离和小分子的传感方面具有很大的潜力。本论文以MOFs材料作为研究对象,探索用于燃烧后二氧化碳捕捉的高水稳定性、低成本和新颖的MOFs制备与MOFs改性新方法,同时开发以金属有机骨架材料为主体用于H₂S检测的荧光探针。各章节的主要内容总结如下:首先,我们采用2-羟基-1,4-对苯二甲酸,2-甲基1,4-对苯二甲酸和2,5-二甲基-1,4-对苯二甲酸作为有机配体,制备了三种Al-MOFs,分别命名为BIT-72、BIT-73和BIT-74。三种Al-MOFs具有类似的晶体结构,但晶体内部具有不同的化学环境。三种Al-MOFs都具有高热稳定性、水稳定性和化学稳定性。此外,对这些MOFs的气体吸附测试表明,BIT-72在三种MOFs中具有最高的比表面积,BET比表面积是1618m²·g^-1。基于理想溶液吸附模型计算得到了三种Al-MOFs的CO₂/N₂的IAST选择性,在273 K和1 atm条件下,BIT-72具有最高的的CO₂/N₂的选择性,达到48,BIT-73和BIT-74选择性略低。但在283 K和P/P₀=0.3下,BIT-73和BIT-74的H₂O吸附量只有同等条件下CAU-1的1/3和1/4。我们实现了通过改变孔道的化学环境调控Al-MOFs的CO₂/N₂分离系数和水吸附行为。这些Al-MOFs具有用于干燥地区水收集系统和作为调节室内湿度的水吸收剂的应用潜力。其次,我们通过在MOF-5孔内进行邻苯二炔单体的原位聚合,得到了高分子和MOFs的复合材料PN@MOF-5。PN@MOF-5的孔径被聚萘高分子均匀“分割”,从原来的1.12 nm缩小到0.58 nm。在273 K和1 atm下,PN@MOF-5的CO₂吸附量比MOF-5增加一倍,同时CO₂/N₂的IAST选择性提升23倍,从MOF-5的9提升到212。通过湿度稳定性测试,PN@MOF-5的湿度稳定性显著提升,暴露在相对湿度为40%条件下40 h后,它的晶体结构、比表面积和孔径分布都未发生改变。此外,通过模拟真实环境下的燃烧后烟气中捕捉CO₂测试,在干态和湿度条件下,相比较MOF-5、MOF-199和NH₂-Ui O-66,PN@MOF-5展现了良好的CO₂/N₂选择性和稳定的CO₂动态吸附容量。这种MOFs孔道分割的方法为多孔材料和高分子复合提供了新的平台,在增强多孔材料水稳定性、提高CO₂吸附容量和CO₂/N₂方面具有借鉴意义。最后,我们采用后修饰的方法在ZIF-90骨架上成功修饰了丙二腈基团,得到了新的金属有机骨架材料MN-ZIF-90,并对其进行了结构和性能的表征。MN-ZIF-90的结晶性和晶体结构跟ZIF-90保持一致。经C=C双键连接到MN-ZIF-90骨架上的丙二腈基团相当于一个荧光猝灭剂,通过分子内光诱导电子转移猝灭MOF骨架的荧光。连接丙二腈基团的C=C双键可以与巯基发生迈克尔加成反应,从而恢复金属有机骨架的荧光,实现含巯基物质的荧光检测。通过荧光光谱分析,MN-ZIF-90可以荧光检测液相中的H₂S,检出限达到28μmmol·L^-1,同时在十种常见氨基酸中可以选择性识别L-半胱氨酸,检出限达到25μmmol·L^-1。此外,在He La细胞体外活性测定实验中,MN-ZIF-90对He La细胞展现了生物相容性和低毒性。用添加MN-ZIF-90的培养基培养He La细胞48小时后,通过激光共聚焦荧光显微镜的研究可以观察到,He La细胞具有显著的蓝光信号,亮场和荧光图像的重叠区域证实了MN-ZIF-90可以进入细胞内部并表现出有高对比度的体外细胞成像能力。这个工作为开发多孔材料作为无毒的荧光探针,用于检测硫醇、选择性识别生物分子和细胞长期标记提供了一个新的平台。