沈丽娟
,
梁若雯
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吴棱
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60984-6
环境污染和能源短缺是制约当今社会发展的重大问题。光催化技术可直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应,具有能耗低、反应条件温和、无二次污染等优点,是解决这一问题的有效途径。实现这个过程的关键在于寻找设计高效的光催化剂。目前,光催化材料主要由无机半导体组成,其结构的改造和修饰难度很大,难以根据实际需要来控制其大小、形状以及物理化学特性。而有机化合物具有优良的分子剪裁与修饰的功能,但它们却在坚固性与稳定性等方面具有明显的缺点。因此如果能发展既具有无机化合物的稳定性又具有有机化合物的可剪裁与修饰性的新型光催化材料,无疑将促进光催化的发展和应用。金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)正是这样一类结合了无机物的稳定性和有机物的可修饰性的杂化材料。 MOFs是一类以金属阳离子为节点、有机配体为连接体的多孔配位聚合物的总称。这类材料不仅拥有超高的比表面积、丰富的拓扑结构,而且其结构兼具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,在气体吸附储存、分离、传感等领域都有广泛的应用。在催化领域MOFs也显示出巨大的应用前景：(1)比表面积大,有利于对反应底物的吸附,促进催化反应的进行；(2)组成多样,结构具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,通过对其金属单元或者配体进行改变修饰,可以实现对MOFs结构和性能的调变；(3)MOFs中金属-氧单元之间由有机配体隔开,相当于分立的半导体量子点,在反应中不易发生团聚。并且各个分立的金属-氧单元之间可能存在协同效应,有利于保持催化剂的稳定性和产生高的催化活性。因此, MOFs材料是一类非常有潜力的异相催化剂。光催化是一类典型的多相催化技术,与传统半导体光催化材料相比, MOFs由于具有可在分子水平进行灵活调控的优点,在光催化领域的应用更有优势。此外, MOFs结构上的确定性为研究催化剂的界面电荷迁移和光催化机理提供了便利条件,通过对其构-效关系的研究和光催化反应机理的探索反过来有助于我们从微观尺度上进一步认识光催化的本质。 MOFs材料在光催化领域已经有了初步的研究。越来越多的MOFs材料被成功应用于光催化降解染料、选择性转化有机物、光解水制氢和CO2还原等反应。典型的有MOF-5、UiO-66和MIL-125系列等。近年来,已有少量的文献综述了MOFs这类材料在光催化领域的研究。这些文献主要围绕MOFs在光催化过程中所起到的作用,比如作为催化剂、助催化剂或载体来展开；或者是从MOFs的光催化应用领域,比如污染物降解、产氢、二氧化碳还原、有机物转化来分类展开。本文围绕如何设计合成高效的MOFs光催化剂,综述了近年来国内外关于提高MOFs的光催化性能而开展的相关研究工作,包括理论研究MOFs的能级结构及化学性质、在MOFs配体上修饰官能团调变其能带结构、染料或者金属化合物光敏化MOFs提高其光吸收性能、负载金属/碳材料及半导体复合提高光生载流子的分离效率等。最后,本文对MOFs光催化剂的未来发展趋势进行了展望,强调开发新型的MOFs光催化剂,并加强对MOFs光催化机制的研究,有助于指导现有MOFs催化剂的改良和设计新型光催化剂。
关键词:
金属-有机骨架材料
,
光催化
,
配体
,
功能化
,
光敏化
,
助催化剂
,
复合材料
杨新丽
,
乔丽明
,
戴维林
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60972-X
磷钨酸具有酸性,而且具有氧化还原性,是一种多功能的新型催化剂,具有很高的催化活性,稳定性好,既可作均相催化剂,也可做多相催化剂.磷钨酸作为多相催化剂主要负载于无机氧化物、介孔分子筛、活性炭和离子交换树脂等材料中,然而这些多相催化剂存在着结构不明确,磷钨酸分散不均、易流失、活性点易中毒等问题.为了克服以上问题,需要寻找更加合适的载体来制备新颖的负载型的磷钨酸多相催化剂,金属-有机骨架的独特性质,使该材料成为一种优良的催化剂载体.金属-有机骨架(MOFs)又称配位聚合物,是指由金属离子与有机配体通过配位键和其他一些弱作用力连接而成的具有超分子微孔网络结构的一种颇具应用前途的类沸石材料.这种材料具有丰富的孔结构和很大的比表面积,同时具有孔结构规整、孔径大小设计可调、表面化学基团修饰可调等优点,使得它在吸附分离、多相催化、环境保护等领域具有很好的应用前景. HKUST-1(Cu-BTC或MOF-199)是该领域内研究和应用较多的一种金属-有机骨架材料,它最早由香港大学Williams教授课题组报道,其为面心立方晶体.在结构中,每个Cu2簇与四个均苯三甲酸相连,每个均苯三甲酸桥连着三个Cu2簇,形成轮浆式次级结构单元.这些次级结构单元相互交错连接形成3D网络结构,具有孔径约为0.9 nm ×0.9 nm的正方形孔道,孔道中的客体分子可以除去,并可以为其它的客体分子所置换. HKUST-1本身即是一种优良的催化剂,同时也可作为一种性能稳定的催化剂载体.目前,关于HKUST-1在催化领域中的应用主要限制在微孔范围,其较小的孔道不利于物质扩散和传输,从而限制其实际应用.本论文利用超分子模板法,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂、铜为金属中心、均苯三甲酸为有机配体、磷钨酸(HPWs)为活性组分,采用一步水热法合成微-介孔多级孔道金属-有机骨架固载磷钨酸催化剂HPWs@Meso-HKUST-1,详细研究了该催化剂对环戊烯选择氧化制备戊二醛的催化性能,并采用X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、N2吸附、透射电镜(TEM)和室温CO原位吸附红外(CO-FT-IR)等表征手段对HPWs@Meso-HKUST-1催化剂进行了结构表征,从而解释该催化剂对目标反应具有优良催化性能的本质原因. N2吸附表征结果说明, HPWs@Meso-HKUST-1催化剂的吸附-脱附曲线在低相对压力范围内呈现I型吸附等温线,在高相对压力范围内呈现具有H2型滞后环的IV型吸附等温线；催化剂独特的吸附等温线表明以CTAB为模板剂,采用一步水热合成法可以得到具有微孔和介孔多级孔道的催化剂材料.催化剂的比表面积和孔容随着磷钨酸含量的增加而减少,结合文献报道,可以得出一步水热合成法使活性组分HPWs分布在载体的介孔孔道内. XRD和FT-IR测试结果表明,一步水热合成法可以成功的将HPWs引入HKUST-1中,且HPWs高度分散在载体中； HPWs@Meso-HKUST-1催化剂保持了载体HKUST-1的骨架结构.小角XRD和TEM结果说明,催化剂的多级孔结构为无序蠕虫状介孔组织.室温CO-FT-IR说明,在HPWs@Meso-HKUST-1催化剂中, HPWs提供了不同于载体HKUST-1的L酸酸性位.从以上结果可以得出,一步水热合成法使HPWs包裹在载体的介孔孔道内,防止了HPWs的流失,使HPWs@Meso-HKUST-1催化剂为环戊烯选择氧化制备戊二醛提供了大量的、高度分散的、具有L酸酸性位的活性中心,且催化剂的介孔孔道有利于反应物和产物的扩散,从而使该催化剂表现出优良的催化性能；在优化条件下,环戊烯的转化率达到92.5%,戊二醛的得率达到78.9%；热过滤实验表明该催化剂是真正的多相催化剂,且至少可以重复使用3次.
关键词:
金属-有机骨架
,
HKUST-1
,
磷钨酸
,
环戊烯
,
戊二醛
宋国强
,
王志清
,
王亮
,
李国儒
,
黄敏建
,
银凤翔
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60729-3
以硝酸铁为金属离子前驱体、均苯三甲酸为有机配体,采用水热法合成了金属有机骨架MOF(Fe)催化剂,应用X射线衍射、N2吸附-脱附、透射电镜、红外光谱和热重等方法对催化剂的结构进行了表征,并采用循环伏安法测试了催化剂在碱性电解质中的氧气还原(ORR)催化性能,同时也采用旋转圆盘电极进一步研究了催化剂的ORR的动力学行为.结果表明,所制MOF(Fe)具有很好的晶型结构、大比表面积、丰富的微孔以及较高的热稳定性.且表现出很好的ORR催化活性.ORR的反应历程随电位的改变而改变:电位在-0.3到0.50 V范围内,ORR为2电子途径;随着电位从-0.50 V升至-0.95 V,ORR从2电子向4电子途径转变.另外,该催化剂在碱性电解质中也表现出较好的氧气析出(OER)催化性能,这为制备用于ORR和OER的高效非贵金属催化剂提供了新的途径.
关键词:
金属有机骨架
,
水热法
,
氧气还原反应
,
氧气析出反应
,
锂-空气电池
