UiO-67封装金属纳米颗粒催化硝基苯加氢研究

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金属有机骨架(Metal-organic frameworks,MOFs)材料由于具有高孔隙率、丰富的化学位点、结构易调节等优点,已被广泛应用于封装金属纳米颗粒(Metal nanoparticles,MNPs),以制备高活性MNPs@MOFs复合催化剂。然而,MOFs固有的微孔结构影响了反应物的传质,并阻碍了反应物与封装于MOFs中心区域的MNPs的接触,因而在一定程度上降低了反应的催化效率和MNPs的利用率。因此,若能将MNPs集中封装在尽可能靠近MOFs外表面的浅层孔道内,可缩短反应物的传质距离,同时可整体提高MNPs的可接触率,从而提升反应的催化效率和MNPs的利用率。针对上述问题,本论文发展了一种溶剂辅助配体置换-氢气还原策略,成功将MNPs集中封装在MOFs浅层孔道中,并有效提高反应的催化效率和MNPs的利用率。论文的主要研究内容与结论如下:首先利用溶剂辅助配体置换-氢气还原策略,在合适条件下将鳌合Pd2+的联吡啶二羧酸配体可控地置换于Ui O-67浅层框架上,继而利用氢气还原引入的Pd2+,成功将超细的Pd NPs封装在Ui O-67浅层孔道中,制备出一系列LE-Pd@Ui O-T-t材料。结合理论计算与实验表征,对该合成过程进行了探讨,验证了各合成步骤的具体机理。随后利用多种测试手段对LE-Pd@Ui O-T-t材料进行了表征,探索了不同配体置换温度与置换时间对材料性质的影响。测试结果证明了材料可保持较好的结晶度与多孔性。此外,不同置换温度与置换时间对材料的组分含量、Pd NPs分布情况与粒径大小均存在影响。材料的结构性质、Pd NPs的分布情况与粒径大小等因素综合表明,80℃为较合适的置换温度。在该条件下制备出LE-Pt@Ui O-80-1材料,亦成功将超细的Pt NPs封装在Ui O-67浅层孔道中。最后以硝基苯加氢制备苯胺为模型反应,在常温常压下测试了具有不同Pd NPs分布的材料的催化性能。测试结果表明LE-Pd@Ui O-80-t材料均具有较高的催化活性与选择性(转化率和选择性均接近100%)。其中具有最薄Pd封装层厚度的LE-Pd@Ui O-80-0.5材料表现出最高的催化活性,TOF值达到600 h-1,同时该材料具有较好的重复利用性与底物适用性。反应结果表明,将金属纳米颗粒选择性封装在尽可能靠近MOFs外表面的浅层中,可有效提高反应的催化效率和金属纳米颗粒的利用率。
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