Angew. Chem. :低溫氧氣活化新策略:金屬-有機框架材料的橋聯原子調控

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在追求能源高效和環境保護的今天,催化劑的研究和開發成為了化學領域的熱點。近期,一項關于金屬-有機框架(MOFs)材料的創新研究為我們帶來了低溫氧氣活化的新希望。本文將帶您了解這一領域的最新進展。


最近,來自中國科學院福建物質結構研究所的曹榮研究員和劉天賦研究員在這方面取得了重要進展,他們成功設計出一種新型的金屬-有機框架材料,通過改變鈷活性位點的局部環境,實現了在低溫度下的氧氣活化。



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這項研究的核心在于通過將MOFs中的橋接原子從-Cl替換為-OH,顯著改變了金屬中心的電子結構和反應物的吸附行為,從而在氧化反應中實現了高效的氧氣活化。實驗結果顯示,這種新型MOFs材料在35°C的溫度下就能實現25%的CO轉化率,而在150°C時,轉化率能高達100%。這一性能不僅在現有的MOFs基催化劑中脫穎而出,甚至與許多貴金屬催化劑相媲美。

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圖注:Co-Cl和Co-OH的結構示意圖,展示了鈷活性位點的局部環境通過原子級工程得到優化。

研究團隊首先合成了一種高度多孔且穩定的MOF(Co-Cl),然后通過簡單的浸泡在1M KOH水溶液中,將其中的-Cl橋接原子替換為-OH,得到了Co-OH材料。這一過程不僅保持了材料的晶體完整性,還實現了-Cl到-OH的完全替換。通過一系列表征技術,如X射線光電子能譜、原位漫反射紅外傅里葉變換光譜、同步輻射和磁性測試等,研究人員證實了材料中鈷的價態發生了變化,并且鈷位點的電子組態得到了調整。

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圖注:Co-Cl和Co-OH的價態分析,顯示了鈷的價態變化和材料表面化學狀態的調整。

在催化CO氧化的性能測試中,Co-OH展現出了卓越的活性和穩定性。在連續72小時的循環實驗中,Co-OH的活性并未出現顯著下降,顯示出了優異的催化性能。此外,通過原位漫反射紅外傅里葉變換光譜和原位拉曼光譜分析,研究人員揭示了Co-OH在催化過程中的中間體形成和氧氣活化機制。

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圖注:CO氧化性能測試和催化機制示意圖,展示了Co-OH在低溫下的高效催化活性和反應機制。

這項研究不僅提供了一種新型的高效催化劑,更為催化劑的設計提供了新的思路。通過在原子級層面調控活性位點,我們可以期待未來在能源轉換和環境保護領域會有更多的突破。

文信息

Bridging Atom Engineering for Low-Temperature Oxygen Activation in a Robust Metal-Organic Framework

Rui Wang, Zi-Yu Wang, Yuan Zhang, A. R. Mahammed Shaheer, Tian-Fu Liu*, and Rong Cao*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202400160



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