新型鋯十二金屬節點MOF用於負載高活性的廉價金屬氫化催化劑

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撰稿人：季鵬飛，林文斌（美國芝加哥大學?化學系）

基於金屬-有機骨架材料（MOF）的催化劑是近年來化學與材料領域的研究熱點之一。相比於傳統的非均相催化劑，MOF催化劑活性組分均一、性質易於調控且催化位點密集。而與小分子催化劑相比，MOF催化劑則具有化學穩定性高、易於循環使用以及合成簡單快捷等明顯的優勢。目前，絕大多數MOF催化劑通過有機配體的功能化修飾或者孔道對活性催化劑包裹的方式得以製備。

從世界工業發展趨勢而言，一種具有應用前景的新型催化劑應具有高效、低毒、成本低廉和綠色可持續等特點。但是，許多現行的工業催化流程，如半氫化反應和氫硅化反應，仍廣泛利用鈀、鉑等貴金屬元素作為催化劑。貴金屬元素的地殼丰度低、成本高且生物毒性大，因此選用鐵、鈷、鎳、銅等丰度高、成本低、生物兼容性好的金屬改進現有的工業流程具有極大的發展前景。

近日，芝加哥大學的林文斌（Lin Wenbin）研究團隊在MOF催化劑的研究中取得重要進展，創造性地利用MOF的無機金屬節點作為負載位點，得到具有獨特配位結構的鈷活性物種，可用於高效氫化硝基苯、苯腈以及異腈類化合物，催化活性均遠高於已知的小分子廉價金屬催化劑。

圖1. 鋯十二MOF的結構以及鋯十二金屬節點的化學組成

基於鋯的MOF因具有較低的合成成本及良好化學穩定性，在骨架材料研究領域十分受歡迎。迄今為止，常見的鋯MOF均以鋯六金屬節點作為結構單元，而林文斌教授研究團隊首次合成了含鋯十二金屬節點的MOF。該研究團隊發展的鋯十二MOF具有納米尺寸的片層狀形貌，並且每個鋯十二節點具有六個雙橋連的氫氧根，可用於負載三個氯化鈷中心，從而得到具有獨特電荷性質的鈷金屬催化劑。

圖2. 鋯十二節點上的雙橋連氫氧根和三橋連氫氧根提供兩種負載位點

圖3. MOF催化劑可用於高效氫化硝基苯、苯腈以及異腈化合物

該鋯十二負載鈷催化劑對於多種氫化反應均具有高催化活性，是硝基苯氫化活性最高的廉價金屬催化劑，硝基苯可完全被轉化成苯胺。該催化劑對不同取代基，包括多種吸電子及給電子基團都表現出良好的催化活性，同時也可催化苯腈化合物完全氫化製備得到苄胺及其衍生物，活性高於目前所報道的所有其他基於鈷和鐵的氫化催化劑。值得一提的是，鋯十二負載鈷催化劑對配位能力極強的異腈化合物也具有良好的催化氫化活性。這三種氫化反應可分別用於苯胺、苄胺以及N-甲基胺等化合物的高效製備，表現了該催化劑在工業合成含氮化合物方面的潛在應用價值。

利用MOF無機節點作為催化劑負載位點的意義在於不僅可以發展超高活性的催化劑，而且可以幫助理解傳統金屬氧化物負載催化劑的組成及催化機理。金屬氧化物表面負載的非均相催化劑在工業合成中已經具有廣泛的應用，但是表面負載催化劑活性位點組成多樣、催化機理複雜，不易於系統研究。而MOF催化劑的無機金屬氧化物節點組分唯一、結構確定，所以容易通過X射線單晶衍射、固態核磁共振波譜、固體紅外光譜、小分子副產物檢測等多種手段進行研究以及催化機理探索。這一新型鋯十二金屬節點負載鈷廉價金屬催化劑的工作已發表在Journal of the American Chemical Society上。

圖4. 鋯十二負載鈷催化劑中鈷的配位環境以及EXAFS的分析結果（左）；鋯十二負載鈷催化劑中鈷的XANES圖譜（右）

該論文作者為：Pengfei Ji, Kuntal Manna, Zekai Lin, Xuanyu Feng, Ania Urban, Yang Song and Wenbin Lin

Single-Site Cobalt Catalysts at NewZr12(μ3-O)8(μ3-OH)8(μ2-OH)6Metal–Organic Framework Nodes for Highly Active Hydrogenation of Nitroarenes, Nitriles, and Isocyanides

J. Am. Chem. Soc.,2017,139, 7004, DOI: 10.1021/jacs.7b02394

導師介紹

林文斌

http://www.x-mol.com/university/faculty/1445

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