Small:MOF异构体——基于同素异构MOF构建Pt/CeO2复合催化剂用于CO低温催化氧化

金属有机骨架(MOFs)是金属离子与有机配体通过配位键自组装形成的具有三维结晶性多孔材料。MOFs材料拥有可控的孔结构和晶型、低密度以及大比表面积等优点而被广泛应用于催化领域。许多报道基于协同催化效应,将MOFs与各种催化活性纳米粒子(NPs)复合构筑集成催化剂(Integrated Nanocatalysts),以提高其催化性能。其中MOFs的配位环境对催化性能至关重要,而MOF异构体是指相同化学组分(金属离子和有机配体)通过不同配位方式产生具有不同空间结构的MOF。然而MOFs同素异构对贵金属纳米颗粒负载效果和其催化活性的影响报道有限。

有鉴于此,华侨大学詹国武教授课题组通过控制反应溶剂,以均苯三酸为有机配体和硝酸铈为金属离子源,成功制备了两种不同拓扑结构的Ce-BTC(即MOF异构体),并将其负载Pt纳米颗粒,经过高温焙烧成功制备了三种不同形貌Pt/CeO2纳米催化剂。研究发现,反应溶剂显著影响MOF的晶型和孔道结构,进而影响Pt纳米颗粒的粒径、负载效率和理化性质。基于XRD、FTIR和Raman等表征,探究了Ce-BTC不同晶型之间的转变机理,并观察到Ce-BTC在水浸泡处理过程中,发生了异构体之间的不可逆转变(从四方晶型到单斜晶型)。通过XPS、H2-TPR等表征进一步对其衍生物Pt/CeO2的CO催化氧化机理进行研究,证明了基于四方晶型Ce-BTC制备的Pt/CeO2催化剂表面拥有大量Pt0物种和小尺寸Pt纳米颗粒,显著促进CO催化氧化。原位DRIFTS分析表明,在低温下,CO-Pt0吸附态是CO氧化的主要反应中间体。同样,该研究也发现了其它镧系 Ln-MOFs(Ln=Eu、Er、Y和Ce-Y)中也有类似的MOF异构现象,证明了合成异构MOFs方法的普适性。

这项工作对异构MOF焙烧衍生物的催化研究提供了新的思路,对后续MOF/NP复合材料及其衍生物的设计有一定的指导意义。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202003597)上。

詹国武教授入选福建省闽江学者特聘教授、福建省高层次引进人才、厦门市双百计划海外高层次人才、厦门市杰出青年人才。主要从事CO2气相催化加氢、生物模板制备纳米材料、多级孔分子筛合成等相关研究。以第一作者或通讯作者发表SCI学术论文50余篇,包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.、ACS Cent. Sci.、Small等。课题组网页:https://www.zhan-group.com/