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    先进能源与环境材料团队研究成果在Matter发表:选择性水刻蚀方法制备MOF@mSiO2摇铃结构纳米反应器
    发布日期: 2020-09-02  浏览:
  • 近期,吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室的先进能源与环境材料团队在Matter上发表题为“A Green Selective Water-Etching Approach to MOF@Mesoporous SiO2 Yolk-Shell Nanoreactors with Enhanced Catalytic Stabilities”的研究工作,该论文阐述了利用选择性水刻蚀的方法制备MOF@mSiO2摇铃结构纳米反应器,该纳米反应器用于CO2环加成反应,具有优异的催化活性,且比MOF表现出更高的催化稳定性。这种包覆-选择性水刻蚀的合成策略为制备其他MOF多功能纳米结构和提高MOF稳定性提供了新的思路。

    金属有机骨架(MOF)具有开放的骨架结构和均匀分布的活性位点,使之成为催化领域的研究热点之一。MOF中的金属节点和配体常以较弱的配位键连接,决定了其稳定性差的缺点,尤其是在高温高压等苛刻的反应条件下,MOF骨架结构易发生坍塌而丧失催化活性。因此,提高MOF的结构稳定性对于其在催化领域的进一步应用至关重要。在MOF表面包覆一层刚性的介孔SiO2制备MOF@mSiO2核壳结构被认为是一种可以有效的提高其机械和化学稳定性的方法。然而这种核壳结构作为催化剂存在缺陷,如表面的活性位点会被SiO2壳覆盖、内核和外壳孔道不匹配、反应空间狭窄、扩散速率慢等。而摇铃结构的纳米反应器,不仅能够保留核壳结构的优势,还成功避免了活性位点被覆盖等缺陷。因此,设计合成MOF基摇铃状纳米反应器具有重要的意义。

    图一:MOF@mSiO2摇铃结构纳米反应器的合成示意图


    图二:从MOF到MOF@mSiO2-CS,最后到MOF@mSiO2-YS的形貌变化


    鉴于此,研究团队开发了一种选择性水刻蚀制备MOF@mSiO2摇铃结构纳米反应器的绿色方法。合成策略如下:在MIL-101纳米粒子表面包覆一层介孔硅,萃取除去介孔模板剂CTAB,得到MOF@mSiO2核壳结构,然后将MOF@mSiO2核壳纳米粒子水热处理24h,选择性刻蚀MOF核的表面层,得到MOF@mSiO2摇铃结构纳米反应器(如图一和图二所示)。这种结构能够将MOF表面的活性位点完全暴露出来,核壳之间的空隙层为催化反应提供了更大的空间,保证了底物和产物高的扩散速率。在CO2环加成反应中,MOF@mSiO2摇铃结构纳米反应器具有高催化活性,并且比MOF表现出更高的催化稳定性,这是因为其具有可渗透的介孔SiO2壳、MOF表面充分暴露的活性位点以及能够有效减缓MOF分解的SiO2保护壳(如图三所示)。


    图三:MOF和MOF@mSiO2-YS的催化性能


    相关的研究成果近期发表在Matter创刊一周年的纪念刊上,第一作者为吉林大学博士研究生包守信,通讯作者为吉林大学于吉红教授和贾明君教授。该期纪念刊共收录了15篇研究型和综述型文章,其中包括Ben L. Feringa、Edward H. Sargent 杨培东、唐本忠等的研究工作。


    全文链接:   https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.06.021  

    Matter周年纪念刊链接:   https://www.cell.com/matter/current