【摘 要】
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氢能是当前最清洁环保的燃料之一,在可持续的能源研究领域备受关注。氨硼烷(NH3BH3,AB)的含氢量高达19.6 wt%,且在空气中和水溶液中非常稳定,是理想的化学储氢材料。因此,设计和合成具有良好催化活性和化学稳定性的催化剂使氨硼烷高效可控产氢具有潜在的应用前景。有机膦(OPs)是一类含有磷酯键的化合物,曾被应用在化学战争的神经毒剂(Nerve agents),如Soman,VX和Sarin等。
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氢能是当前最清洁环保的燃料之一,在可持续的能源研究领域备受关注。氨硼烷(NH3BH3,AB)的含氢量高达19.6 wt%,且在空气中和水溶液中非常稳定,是理想的化学储氢材料。因此,设计和合成具有良好催化活性和化学稳定性的催化剂使氨硼烷高效可控产氢具有潜在的应用前景。有机膦(OPs)是一类含有磷酯键的化合物,曾被应用在化学战争的神经毒剂(Nerve agents),如Soman,VX和Sarin等。这些毒剂与人体的乙酰胆碱酯酶结合,抑制人体的代谢活动和正常生命活动。因此,开发在温和条件下高效稳定的催化剂具有重要的理论研究价值。金属有机框架化合物(MOFs)由于其结构的多样性、可设计性、可剪裁性以及超高的比表面积,广泛应用在气体吸附与分离、能量/药物载体和非均相催化等领域。本论文利用MOFs金属节点和配体组分的可调性,通过自组装和外延生长法,理性设计和构筑多位点、分层级的MOFs,制备了钴锌双层核壳结构的咪唑类MOFs、稀土镧铈双金属MOFs及配体掺杂的锆基MOFs,分别作为催化氨硼烷水解产氢及催化有机膦水解降解的非均相催化剂,详细研究了其催化性能,探讨了其可能的催化机理。主要内容如下:(1)为开发低成本、高效稳定的氨硼烷水解产氢的催化剂,合成2-甲基咪唑类MOFs(ZIFs)限域钯掺杂过渡金属复合纳米粒子。分别通过双溶剂法和浸渍法,在ZIF-8,ZIF-67,ZIF-67/ZIF-8和核壳结构的ZIF-67@ZIF-8的内部孔道和外部表面分别负载金属纳米粒子,构筑MPdx@MOFs和MPdx/MOFs(M=Cu、Ni、Co、Fe and Zn;x=0~1),并进行了XRD、SEM、TEM、XPS、ICP-OES等一系列的表征。催化氨硼烷水解的性质实验表明,CuPd0.01@ZIF-67@ZIF-8的催化性能最优,其活化能较低,仅为38.78 k J.mol-1,在298 K其TOF高达30.15 mol H2(molmetal)-1 min-1。其高活性的原因可能是痕量Pd调节Cu的电子结构和核壳ZIF-67@ZIF-8限域金属纳米粒子的超细尺寸(~3 nm)效应。动力学研究还表明,该催化反应在催化剂用量上为一级反应,在氨硼烷浓度上为零级反应。此外,CuPd0.01@ZIF-67@ZIF-8具有优良的耐久性。(2)为构筑多金属中心协同催化有机膦的磷酯键断裂,合成了多种稀土金属的La Ce-MOFs,研究了其催化双对硝基苯磷酸盐(BNPP)水解的性能。利用溶剂热法和调控不同金属离子的浓度,原位合成了不同比例的稀土镧铈双金属框架化合物Lax Cey-MOFs(y=0~1,x+y=1),并进行了XRD、BET、SEM、XPS、FTIR等一系列的表征。催化BNPP水解的性质实验表明,在p H值为9.0和313K时,La0.5Ce0.5-BDC催化BNPP水解的准一级反应速率常数(kobs)高达0.952 h-1,其活化能为53.73 k J.mol-1。催化BNPP水解的高活性可能归因于MOFs节点处镧铈金属中心的两种路易斯酸的协同效应。此外,La0.5Ce0.5-BDC在p H为9.0时具有良好的催化循环性。(3)为构筑多催化中心,设计合成了有机配体掺杂的锆基MOF,研究了其催化对硝基苯基磷酸钠(p NPP)水解的性能。利用溶剂热法和不同有机配体(NH2BDC和H3BTB)的浓度比例的调控,原位合成了有缺陷的锆基MOF即UiO-66-NH2,并进行了XRD、BET、EDX、1H NMR、TGA等一系列的表征。催化p NPP水解的性质实验表明,优化后的H3BTB(40%)-UiO-66-NH2在p H为9.0和313 K时水解p NPP的准一级反应速率常数(kobs)高达0.215 min-1,活化能为80.84 k J.mol-1。与UiO-66-NH2形貌非常相似的H3BTB(40%)-UiO-66-NH2具有独特的悬空的羧酸基团,并诱导锆基节点产生不饱和配位点,表现出羧基作为布朗斯特酸与锆节点的路易斯酸性的协同催化有机膦的水解。此外,研究了H3BTB(40%)-UiO-66-NH2催化p NPP水解降解的详细动力学,其具有良好的催化循环性。
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