Advanced Functional Materials: 限域式转化UiO-66纳米晶体为具有多层级孔结构的氧化钇稳定氧化锆及其催化应用

作为有害液体酸的替代品,固体超强酸可以通过更加可持续环保的方式催化包括高温裂解反应在内的众多工业反应。和传统的容易造成环境污染的路易斯酸(氟化硼,氯化铝)以及布朗斯特酸(硫酸,氟化氢)相比,固体超强酸在催化剂回收以及过程可持续性上对环境更加友好,而具有高比表面积的多孔固体超强酸拥有更多易接近的酸性点位,可以显著提高催化效率。此外,相比于单一孔径结构的多孔材料,具有多层级孔结构的多孔催化材料往往具有更好的传质特性。

新加坡国立大学曾华淳教授课题组通过对包裹有介孔二氧化硅的含锆金属有机框架进行热处理得到具有大孔-介孔-微孔多层级孔结构的氧化钇稳定氧化锆,该材料作为高比表面积的多孔固体超强酸可以作为高效催化剂用于多种酸催化反应。此外,在负载多种贵金属后,该类催化剂可以有效地应用于多类异相催化反应。相关研究结果已发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201903264)上。

在加热的条件下,金属有机框架中有机部分热分解为气体并且缓慢释放,该过程可助金属有机框架分解为具有多层次孔结构的氧化钇稳定氧化锆,并得到介孔二氧化硅外壳的机械支撑。限域热解后得到的低密度金属氧化物具有高比表面积。利用DRIFTS-IR以吡啶为分子探针可以检测到丰富的布朗斯特和路易斯酸性位点,这些活性位点可以高效催化包括酯化反应,傅-克烷基化反应在内的常见酸催化反应。此外,通过简单的浸渍法,钯铂铑等贵金属可以均匀负载在氧化钇稳定氧化锆的孔道内,形成纳米或亚纳米级别的金属颗粒。负载不同的金属之后,所形成的纳米反应器不仅可用于气相二氧化碳加氢生成一氧化碳或甲烷,也可以用于液相催化串联加氢反应。此类催化剂在700摄氏度的高温以及在极端的酸碱条件下仍然具有良好的稳定性,所负载的贵金属颗粒在500摄氏度下也并未观测到聚集现象。相信这种通用的稳定纳米反应器将来在可持续异相催化领域可以发挥更大的作用。