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多孔纳米材料，因其多孔结构及大的比表面积和孔容，在客体负载方面展现出非常广阔的应用前景，如气体分子的吸附存储或分离;药物分子的负载和运输用于生物医药;染料分子或量子点的负载用于环境中或生物上的成像或传感;金属或金属氧化物纳米晶的负载用于催化及能量转化与存储;离子或分子的吸附移除或形成双电层用于储能等。这类材料因其多孔特性而利于客体的快速负载、传输和对外界刺激的灵敏响应，在涉及界面扩散或刺激响应等方面有优异表现。多孔纳米材料在微观孔结构、介观形貌和尺寸上的可设计性、可调节性和可修饰性也是其重要特点，特别是有机的或有机-无机杂化的多孔纳米材料，因可修饰性强，其客体类型及与客体的相互作用方式都得到了极大地丰富。这类材料的模板效应和限域效应也使得多孔纳米材料在其他纳米材料的制备方面表现出了巨大的潜力。多孔纳米材料本身所具有的诸如磁光声电等性质则使其应用更为丰富。本论文主要设计制备了相关的多孔纳米材料并利用其如上的诸多性质去解决相关的科学问题，并涉及了一些其他的相关课题，主要工作内容和结果概述如下: (1)以化学性质完全不同的两种配体混合构筑金属有机框架纳米粒子(NMOFs)，通过后合成修饰得到了可同时发出磷光和荧光的NMOFs，以其为载体实现了生物体系氧气浓度的比率型光学检测。两种配体中，一种是可发射磷光的卟啉类配体，为氧分子的响应染料;另一种是胺基联苯类配体，作为可修饰部位通过后合成修饰引入荧光染料Rhodamine B作为参比。体系中两种染料之间无能量传递且可在同一波长下激发，体系磷光与荧光发光强度的比值和磷光寿命随氧气浓度的变化都符合Stern-Vomer关系式，且体系的结构和发光性质都非常稳定。该体系对生理条件下的氧气浓度有灵敏的响应，用激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)测定不同氧气浓度下NMOFs光学响应的工作曲线。对摄取NMOFs的细胞进行CLSM成像，由工作曲线进行氧气浓度的计算，发现计算值与设定值相近。细胞毒性实验表明此NMOFs的毒性低，是生物相容性体系。该体系可通过使用红外染料或采用X射线激发、上转换等策略实现体内氧气浓度的检测;这种不同性质配体构筑MOFs的策略也为功能化MOFs的设计提供了新的思路。 (2)在NMOFs表面修饰PEG以延长生理循环时间达到靶向运输的目的进而拓展NMOFs的生物应用方式及范围。构筑NMOFs并通过配体交换得到表面含有二硫键的NMOFs，随后负载化疗药物，与含巯基的PEG反应得到表面以二硫键共价修饰PEG的NMOFs体系。表面的PEG修饰以期延长NMOFs的生理循环时间，从而实现静脉注射进行体内靶向运输的目的;亲水PEG的表面修饰还可抑制疏水性药物在体系进行生理循环过程中的无效渗漏及带来的负作用;当体系通过癌部位的高渗透性和滞留效应靶向富集到相应的癌组织部位时，PEG与NMOFs间的二硫键会被癌组织内的高还原性条件切断，从而实现药物在癌组织部位的快速释放进而产生抗癌效果。虽然体系表现出强的细胞毒性，但生理循环效果并不理想。经过诸多的尝试，实验仍未取得预期目标;然而配体交换加后修饰的策略仍是MOFs功能化的较好选择。 (3)拓展了一种简单的方法制备了多孔的碳纳米膜，并用作超级电容器的电极材料。通过一步法制备了表面有苯基自组装单层的杂化SiO2纳米粒子，随后进行简单的傅-克交联反应、高温碳化和模板移除得到了超薄且三维的多孔碳纳米膜。所制得的碳纳米膜具有超薄的孔壁、三维互通的多级孔结构、大的比表面积和较高的石墨化程度等特点，且这些性质可通过调控SiO2纳米粒子的直径(10nm和20 nm)及苯基的自组装程度来调节。该碳纳米膜用作对称型超级电容器的电极材料，其超薄结构可提高碳材料的原子利用率。碳纳米膜表现出大的比电容（碱性水相电解液中0.5 A/g下为202 F/g）和良好的循环稳定性（4 A/g下经10000次循环后其电容保有率为90％）。此种对杂化材料进行化学交联碳化去模板的方法可以拓展到多种结构碳材料或聚合物的制备上。 (4)发展了简单的可宏量制备的方法制备了氮掺杂的碳点，并研究了其发光性质。利用微乳液聚合制备了核壳结构（聚丙烯腈PAN为核，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA为壳）的聚合物纳米粒子，以其为前驱体进行热处理得到了氮掺杂的碳点。核壳聚合物在壳层PMMA的保护下进行逐步升温的过程中，内核PAN只会发生粒子内的交联裂解和碳化，并在高温除去PMMA后得到尺寸均一的氮掺杂的碳点。外壳的保护可以抑制碳化过程中常见的碳质的聚集。所得碳点发出强的绿色荧光，发射光谱呈现出有固定发射波长的双峰发射，且在温和pH范围内(pH5～12)有稳定的发光行为。经聚乙二醇PEG表面修饰后的碳点具有类似的发光行为，而量子产率提高到了24％。这种具有固定发射波长、生理pH下稳定发光、PEG表面修饰、高发光量子产率的碳点在生物成像上有潜在应用。这种尺寸和组分可调的核壳聚合物纳米体系可以被拓展到其他结构碳材料的制备上。 (5)研究以烯二炔(EDY)单元为π链接子的D-π-A结构染料中电子供体的数量和位置对其在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中性能的影响。设计合成了以三苯胺为电子供体、EDY为π链接子、氰基丙烯酸为电子受体而供体数量和位置不同的三种D-π-A类染料，将其分别作为染料来敏化DSSCs，发现其性能主要与染料分子在光阳极上的构型有关。间位供体的染料倾斜于电极表面，电子注入效率低，易于与光阳极表面发生电荷复合且减少染料吸附量;对位供体的染料则垂直于电极表面，有效提高了电子注入效率和染料吸附量，但其高的对称性和近平面结构易于相互聚集;两个供体的染料因供体的空间扭曲，不仅提高了染料的共轭程度及电子注入效率，还有效抑制了电荷复合与染料聚集，性能较好。课题可拓展到易于触发Bergman环化的EDY结构的染料，吸附后的环化反应不仅可增大共轭程度进而有更宽的光谱响应，且形成更致密的染料网络以抑制电解液与光阳极的电荷复合过程，这些都可极大地提升DSSCs的性能。