Nature：國家納米中心高效選擇性加氫反應取得進展

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催化是一個古老但又「永葆青春」的研究領域，它在現代工業中佔據著極其重要的地位。目前，大約90%的化工過程和60%左右的化工產品生產都依賴於催化劑來完成，這就要求科學家們能夠合理設計和可控制備出高性能的催化劑，進而大大提高催化過程的效率。近日，Nature報道國家納米中心在MOFs用於高效選擇性加氫反應研究中取得重要進展。

公眾號下回復「MOF」，可以獲取論文PDF。

α，β-不飽和醇是香料、香精、醫藥等的原料和中間體，其主要由α，β-不飽和醛加氫製得。然而，熱力學上易於C=C雙鍵加氫，通常不飽和醇的收率較低。目前，應用於該體系的負載型催化劑，和其他異相催化反應一樣，通常以碳材料、二氧化硅、分子篩、金屬氧化物等作為載體來分散催化活性組分。雖然傳統負載型催化劑具有製備方法簡單、易於批量生產等特點，但這類催化劑也具有一些共同的不足之處：（1）負載型催化劑表面的活性組分尺寸在納米尺度，具有很高的表面能，在使用過程中易於發生燒結或脫落，從而造成其催化性能不好。（2）通常的製備方法是浸漬還原法、沉積-沉澱法等，得到的催化活性組分尺寸、形貌和分散性等參數可控性較差。（3）活性組分與載體的接觸界面往往是催化反應的活性位點，而「裸露」的活性組分表面很少具有選擇性催化功能。因而，負載型催化劑很難實現。

鑒於此，國家納米科學中心唐智勇研究員、李國棟副研究員以及澳大利亞格里菲斯大學趙惠軍教授等課題組合作，提出用MOFs作為選擇性加氫反應的調控器，同時巧妙地設計和精準構築了三明治結構MIL-101@Pt@MIL-101催化劑，其特點如下：（1）鉑納米粒子被MOFs包覆，即鉑表面具有均一催化位點，易於實現定向催化。（2）MOFs中配位不飽和金屬位點作為路易斯酸與C=O雙鍵作用，弱化其鍵能，提高其加氫收率；同時金屬位點可調換 (Fe、Cr)。（3）外殼層厚度可調，具有豐富的孔結構，有利於擴散和輸運。這類催化劑可實現α，β-不飽和醛中C=O官能團的高選擇性加氫。

進一步的實驗和理論計算表明，MIL-101中配位不飽和金屬位點Fe和Cr與肉桂醛中C=O雙鍵相互作用，且與不飽和Fe位點具有較強的作用，從而弱化C=O雙鍵；同時鉑原子活化氫氣，促進不飽和醇的生成，且與不飽和Fe位點協同作用更易於實現C=O雙鍵的定向催化。同時，還設計了具有不同配位不飽和金屬位點的MOFs來構築三明治結構催化劑，如MOF-525(Zr)、MOF-74(Co)、UiO-66(Zr)和UiO-67(Zr)，它們也展現了很好的C=O雙鍵選擇性加氫性能。顯然，這種鉑納米粒子與MOFs中配位不飽和金屬位點協同催化α，β-不飽和醛中熱力學不優越的C=O雙鍵加氫製備不飽和醇的催化劑設計理念，具有一定的普適性。該研究可以為新型多功能催化劑的合理結構設計和製備提供新思路；同時也可為一些具有重要工業應用和挑戰性的催化難題的解決提供重要借鑒。

目前相關的研究成果「Metal–organic frameworks as selectivity regulators for hydrogenation reactions」被《自然》(Nature) 雜誌於2016年10月5日在線發表；同時已獲得中國發明專利授權 (ZL 201410152058.8)。該研究成果得到了科技部重大基礎研究計劃、國家自然科學基金、國際合作、中科院先導專項、中科院儀器研製、中科院青促會等項目的資助。

論文鏈接

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature19763.html

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