NH2-MIL-88B(Fe)衍生Fe基催化剂的制备及其催化氧化反应性能

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金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是由金属离子或团簇与有机配体通过配位作用自组装形成的一类新型晶态多孔材料,基于高比表面积、高孔隙率及易化学修饰等特性而受到广泛的关注。多样的拓扑结构和丰富的物化特性使MOFs材料可作为牺牲模板或前驱体,经高温热解衍生出各类多孔碳材料。MOFs衍生材料在延续母体多孔特性的同时,克服了MOFs稳定性差、易失活等问题,通过改变热解条件,可实现催化活性中心的精准调控,拓展材料的应用范围。本论文基于Fe基MOFs材料NH2-MIL-88B(Fe)组成和结构的特点,通过优化热解条件和酸处理方式,衍生出了两种高效多相催化剂,分别为氮掺杂多孔碳的磁性纳米复合物Fe/Fe3C@NC和单原子Fe催化剂Fe-N-C。采用X射线粉末衍射、N2吸脱附、X射线光电子能谱、拉曼光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和球差校正透射电子显微镜等技术对催化剂进行了系统化的表征,分别在硫醚和芳烃的选择性氧化反应中考察了催化剂的催化性能。本论文的工作总结如下:(1)开发了一种具有核壳结构的氮掺杂多孔碳的磁性纳米复合材料Fe/Fe3C@NC。采用水热法合成的NH2-MIL-88B(Fe)在N2气氛下经高温原位热解,可衍生得到多相催化剂Fe/Fe3C@NC-x(x表示热解温度),该催化剂在硫醚选择性氧化生成亚砜的反应中表现出优异的催化活性。在温和的条件下,相较于与商品化的Fe2O3、Fe3O4、Fe(acca)3、Fe3C及骨架中不掺杂N的Fe/Fe3C@C-600等催化剂,Fe/Fe3C@NC-600具有最高的催化活性。这是由于Fe3C颗粒与氮掺杂碳的协同作用,促进了硫醚选择性氧化的缘故。此外,该催化剂具有磁性易回收的特点,在外磁场的作用下很容易实现反应物与催化剂的分离,且重复使用六次也未发生失活或活性中心脱落、团聚的现象,说明其具有良好的稳定性。(2)发展了一种由MOFs材料直接衍生单原子Fe催化剂的方法。以NH2-MIL-88B(Fe)为牺牲模版,经高温惰性气氛热解,并辅以后续酸洗的策略,衍生得到单原子催化剂Fe-N-C-x(x表示热解温度)。载体碳骨架中掺杂N物种与金属Fe发生强配位作用,从而实现了活性中心在载体上的原子级分散。高度均一的活性位点和氮掺杂的多级孔结构使催化剂Fe-N-C-600在苯羟基化制苯酚的反应中表现出优于前驱体和其它商品化Fe基催化剂的催化活性。通过与骨架中不含氮的催化剂Fe-C-600对比,进一步说明了氮的作用。此外,催化剂在甲苯和乙苯的选择性氧化反应中也具有相对较高的活性和选择性。且制备的单原子Fe催化剂也具有良好的稳定性,经重复使用多次未出现活性组分流失的问题。
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