金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望

doi:10.1016/S1872-2067(22)64193-7

催化学报 ›› 2023, Vol. 45: 1-5.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64193-7

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金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望

焦龙(), 江海龙()

中国科学技术大学化学系, 能源材料化学协同创新中心, 安徽合肥230026

收稿日期:2022-10-31 接受日期:2022-11-10 出版日期:2023-02-18 发布日期:2023-01-10
通讯作者: 焦龙,江海龙
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFA1500400);国家自然科学基金(U22A20401);国家自然科学基金(21725101);国家自然科学基金(22222507);国家自然科学基金(22161142001);国家自然科学基金(22001242);中央高校基本科研业务费(20720220007);中央高校基本科研业务费(WK2060000038);中央高校基本科研业务费(WK2060000040)

Metal-organic frameworks for catalysis: Fundamentals and future prospects

Long Jiao(), Hai-Long Jiang()

Department of Chemistry, Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials (iChEM), University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China

Received:2022-10-31 Accepted:2022-11-10 Online:2023-02-18 Published:2023-01-10
Contact: Long Jiao, Hai-Long Jiang
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2021YFA1500400);National Natural Science Foundation of China(U22A20401);National Natural Science Foundation of China(21725101);National Natural Science Foundation of China(22222507);National Natural Science Foundation of China(22161142001);National Natural Science Foundation of China(22001242);Fundamental Research Funds for the Central Universities(20720220007);Fundamental Research Funds for the Central Universities(WK2060000038);Fundamental Research Funds for the Central Universities(WK2060000040)

摘要/Abstract

摘要：

金属有机骨架材料(MOF)又称多孔配位聚合物(PCP), 是一类由金属团簇和有机配体通过配位作用形成的新型晶态多孔材料. 近30年, MOF材料在催化领域受到了广泛的关注和研究. MOF的多孔结构和高比表面积可以实现催化位点的空间分离并促进物质传输, 从而提高催化活性. MOF可以像均相催化剂一样在原子精度进行灵活剪裁和调控, 同时具有非均相催化剂易分离回收的优势. 通过结合均相和非均相催化剂的优点, MOF表现出了诸多优于传统催化材料的独特性质. 本文首先简要介绍了MOF基催化材料设计的基本原理和MOF应用于催化的独特性, 其次对MOF在催化中面临的瓶颈和局限进行了论述, 最后指出了MOF在未来催化领域中潜在的独特应用前景.
MOF材料中金属节点、有机配体和孔空间都可以进行灵活功能化, 从而赋予催化活性. 金属节点上的不饱和配位点可作为路易斯酸催化中心. 配体可以通过修饰不同功能基团从而赋予催化活性. 此外, 金属节点和有机配体还可以通过接枝外来催化位点进行功能化. 更重要的是, MOF孔空间可以限域客体活性单元, 极大扩展了活性位的来源. MOF还可以作为前驱体通过化学转化获得多孔碳、金属化合物及其复合材料. MOF的高孔隙率、均匀掺杂等特性可以很好地继承到MOF衍生材料中, 使其表现出优异的催化性能.
MOF既有广泛的活性位来源, 同时表现出独特的结构和成分优势, 为催化的发展带来了新的重要机遇. 首先, MOF可以实现催化位点空间分离, 有效抑制其聚集失活, 同时可以稳定均相体系中不兼容的活性位点, 实现多位点协同催化. 其次, MOF结构的明确性可以精准控制相邻活性位的空间位置, 从而实现调控催化行为. 第三, MOF孔壁上可以悬挂不同功能基团, 实现催化中心微环境调控, 显著优化催化性能. 此外, 多变量MOF实现了在MOF中同时引入多种组分并精准控制其空间序列, 进而有效改善催化效果. MOF的单晶结构还可以精准的确定催化位点和微环境组分中每个原子的位置, 为理解催化机制提供了新的研究手段.
虽然MOF在催化领域已经取得了极大进展, 但其化学稳定性、热稳定性和机械稳定性往往相对较差, 制约了其大规模应用. 此外, 多相催化剂在长期运行过程中通常面临失活问题, 因而需要再生处理. 但是MOF热稳定性相对较差, 传统常用的煅烧方法不再适用于MOF, 亟待开发适用于MOF的再生方法. 另外, MOF合成用到的有机配体和溶剂成本较高, 合成过程相对较为复杂, 经济性上面临较大挑战. 此外, 多数MOF的孔径相对较小, 传质阻力较大, 限制了催化效率.
由于上述限制的存在, 在未来的工业应用中MOF催化剂的出路是寻找其在催化领域的独特应用场景. 例如催化高附加值反应, 当产品附加值足够高时, 才有望弥补MOF催化剂在成本和稳定性方面的不足. 此外, MOF是构建类酶催化材料的理想选择. 因而MOF基催化剂有望像酶一样在温和条件下高效、高选择性催化挑战性反应, 为其大规模应用提供了重要机遇. 而外场(光、电、磁等)辅助催化也可以克服高的反应能垒, 有效降低反应条件的苛刻性, 为MOF的应用推广创造了机会. 在催化机制研究方面, MOF在探究催化剂结构中关键要素以及优化催化性能方面具有显著优势, 基于MOF获得的催化关键信息, 可以进一步指导非MOF体系下催化剂的设计和工业应用.

关键词: 金属有机框架材料, 多相催化, 催化位点设计, 微环境调控, 催化材料

Abstract:

The past three decades have witnessed significant development of metal-organic frameworks (MOFs) for heterogeneous catalysis. At the crossroads of development, the fundamentals on the design of MOF-based catalysts along with the specific uniqueness of MOFs for catalysis are summarized in this Comment. Moreover, the bottlenecks limiting the further development and opportunities moving this field forwards are further discussed.

Key words: Metal-organic framework, Heterogeneous catalysis, Catalytic site design, Microenvironment modulation, Catalytic material

焦龙, 江海龙. 金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望[J]. 催化学报, 2023, 45: 1-5.

Long Jiao, Hai-Long Jiang. Metal-organic frameworks for catalysis: Fundamentals and future prospects[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2023, 45: 1-5.

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参考文献

[1]	H. Furukawa, K. E. Cordova, M. O'Keeffe, O. M. Yaghi, Science, 2013, 341, 1230444.
[2]	H.-C. Zhou, S. Kitagawa, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5415-5418.
[3]	L. Jiao, Y. Wang, H.-L. Jiang, Q. Xu, Adv. Mater., 2018, 30, 1703663.
[4]	J. Liu, L. Chen, H. Cui, J. Zhang, L. Zhang, C.-Y. Su, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 6011-6061.
[5]	Y.-B. Huang, J. Liang, X.-S. Wang, R. Cao, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 126-157.
[6]	J. Guo, Y. Qin, Y. Zhu, X. Zhang, C. Long, M. Zhao, Z. Tang, Chem. Soc. Rev., 2021, 50, 5366-5396.
[7]	M. Fujita, Y. J. Kwon, S. Washizu, K. Ogura, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 1151-1152.
[8]	S. Dissegna, K. Epp, W. R. Heinz, G. Kieslich, R. A. Fischer, Adv. Mater., 2018, 30, 1704501.
[9]	G. Cai, H.-L. Jiang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 563-567.
[10]	G. Akiyama, R. Matsuda, H. Sato, M. Takata, S. Kitagawa, Adv. Mater., 2011, 23, 3294-3297.
[11]	G. Yuan, H. Jiang, L. Zhang, Y. Liu, Y. Cui, Coord. Chem. Rev., 2019, 378, 483-499.
[12]	M. Zhao, S. Ou, C.-D. Wu, Acc. Chem. Res., 2014, 47, 1199-1207.
[13]	K. K. Tanabe, S. M. Cohen, Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 498-519.
[14]	C. Xu, Y. Pan, G. Wan, H. Liu, L. Wang, H. Zhou, S.-H. Yu, H.-L. Jiang, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 19110-19117.
[15]	J. Baek, B. Rungtaweevoranit, X. Pei, M. Park, S. C. Fakra, Y.-S. Liu, R. Matheu, S. A. Alshmimri, S. Alshehri, C. A. Trickett, G. A. Somorjai, O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 18208-18216.
[16]	Q. Yang, Q. Xu, H.-L. Jiang, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4774-4808.
[17]	L. Chen, R. Luque, Y. Li, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4614-4630.
[18]	Y.-Z. Chen, R. Zhang, L. Jiao, H.-L. Jiang, Coord. Chem. Rev., 2018, 362, 1-23.
[19]	S. Dang, Q.-L. Zhu, Q. Xu, Nat. Rev. Mater., 2018, 3, 17075.
[20]	T. Zhang, K. Manna, W. Lin, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 3241-3249.
[21]	H. Liu, F.-G. Xi, W. Sun, N.-N. Yang, E.-Q. Gao, Inorg. Chem., 2016, 55, 5753-5755.
[22]	B. An, Z. Li, Y. Song, J. Zhang, L. Zeng, C. Wang, W. Lin, Nat. Catal., 2019, 2, 709-717.
[23]	L. Jiao, J. Wang, H.-L. Jiang, Acc. Mater. Res., 2021, 2, 327-339.
[24]	L. Li, Z. Li, W. Yang, Y. Huang, G. Huang, Q. Guan, Y. Dong, J. Lu, S.-H. Yu, H.-L. Jiang, Chem, 2021, 7, 686-698.
[25]	L. Li, Y. Li, L. Jiao, X. Liu, Z. Ma, Y.-J. Zeng, X. Zheng, H.-L. Jiang, J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 17075-17085.
[26]	J. Li, H. Huang, W. Xue, K. Sun, X. Song, C. Wu, L. Nie, Y. Li, C. Liu, Y. Pan, H.-L. Jiang, D. Mei, C. Zhong, Nat. Catal., 2021, 4, 719-729.
[27]	X. Kong, H. Deng, F. Yan, J. Kim, J. A. Swisher, B. Smit, O. M. Yaghi, J. A. Reimer, Science, 2013, 341, 882-885.
[28]	S. S. A. Shah, L. Jiao, H.-L. Jiang, Chem Catal., 2022, 2, 3-5.
[29]	M. Ding, X. Cai, H.-L. Jiang, Chem. Sci., 2019, 10, 10209-10230.
[30]	S. Yuan, L. Feng, K. Wang, J. Pang, M. Bosch, C. Lollar, Y. Sun, J. Qin, X. Yang, P. Zhang, Q. Wang, L. Zou, Y. Zhang, L. Zhang, Y. Fang, J. Li, H.-C. Zhou, Adv. Mater., 2018, 30, 1704303.
[31]	L. R. Redfern, O. K. Farha, Chem. Sci., 2019, 10, 10666-10679.

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Metal-organic frameworks for catalysis: Fundamentals and future prospects

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[1]	Abhishek R. Varma, Bhushan S. Shrirame, Sunil K. Maity, Deepti Agrawal, Naglis Malys, Leonardo Rios-Solis, Gopalakrishnan Kumar, Vinod Kumar. C4二醇的发酵生产及其化学催化升级为高价值化学品的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 99-126.
[2]	李慧杰, 池漫洲, 辛兴, 王瑞杰, 刘天府, 吕红金, 杨国昱. 异金属取代的多金属氧酸盐@光响应型金属-有机框架用于高选择性光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 343-351.
[3]	赵梦, 徐晶, 宋术岩, 张洪杰. 核壳/蛋黄壳纳米反应器用于串联催化[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 83-108.
[4]	李金鹏, 陈洁, 郑庆舒, 屠波, 涂涛. 配位组装构筑的磁性核壳复合材料促进CO₂高值催化转化[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 258-266.
[5]	刘润泽, 邵雪, 王畅, 戴卫理, 关乃佳. 甲醇制烃反应机理: 基础及应用研究[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 67-92.
[6]	聂超, 龙向东, 刘琪, 王嘉, 展飞, 赵泽伦, 李炯, 席永杰, 李福伟. 原子分散Ru-P-Ru催化剂的制备及其在多类加氢中的高效应用[J]. 催化学报, 2023, 45(2): 107-119.
[7]	孙万军, 朱佳玉, 张美玉, 孟翔宇, 陈梦雪, 冯钰, 陈新龙, 丁勇. 钴基非均相催化剂在光催化水分解、二氧化碳还原和氮还原的研究进展与展望[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2273-2300.
[8]	翁雪霏, 杨双莉, 丁丁, 陈明树, 万惠霖. 宽波段原位红外吸收光谱在Pd/SiO₂和Cu/SiO₂催化剂上CO氧化中的应用[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2001-2009.
[9]	Syed Shoaib Ahmad Shah, Tayyaba Najam, 杨姣, Muhammad Sufyan Javed, 彭立山, 魏子栋. Zn单原子微环境结构的调控: 促进氧还原反应的ZnN₄P/C活性位点[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2193-2201.
[10]	蒋亚飞, 刘锦程, 许聪俏, 李隽, 肖海. 打破合成氨反应中线性标度关系的碗型活性位点设计: 来自LaRuSi及其同构电子化物的启示[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2183-2192.
[11]	高敦峰, 李合肥, 魏鹏飞, 王毅, 汪国雄, 包信和. 能源催化材料的电化学合成[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 1001-1016.
[12]	王春鹏, 王哲, 毛善俊, 陈志荣, 王勇. 多相催化剂活性位点的配位环境及其对催化性能的影响[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 928-955.
[13]	陈辉, 张博, 梁宵, 邹晓新. 轻元素调控的贵金属催化剂在能源相关领域的应用[J]. 催化学报, 2022, 43(3): 611-635.
[14]	张涛, 韩晓驰, Nhat Truong Nguyen, 杨磊, 周雪梅. 二氧化钛基光催化剂用于二氧化碳还原和太阳燃料的生产[J]. 催化学报, 2022, 43(10): 2500-2529.
[15]	贾晓敏, 李少雯, 孙凸, 王彦智, 范亚奇, 张超超, 徐杨, 梁作中, 雷海涛, 张伟, 周瑀烨, 马延航, 郑浩铨, 马越, 曹睿. 垂直自支撑式金属有机框架多级结构单晶用于锂定向沉积[J]. 催化学报, 2021, 42(9): 1553-1560.