科研進展
蘭州化物所發(fā)表MOFs衍生的單原子催化劑及其應用綜述
單原子催化劑（SACs）是一類將單個金屬原子錨定在載體上的材料，由于其有最大限度的原子利用率，在多相催化反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。金屬有機框架（MOFs）作為一種廣泛應用于工業(yè)催化和能源存儲-轉(zhuǎn)化技術(shù)領域的材料，不僅具有功能性配體，還具有孔徑可調(diào)性和高孔隙率等優(yōu)良特性，經(jīng)高溫熱解后，MOFs上負載的活性金屬物種可被縮小到單原子（SAs）尺度以最大化金屬利用率。由MOFs衍生的SACs在彌合均相和非均相催化劑之間的差異具有巨大優(yōu)勢。
圖1 MOFs衍生的SACs的優(yōu)勢
科研人員通過對單原子周圍的不飽和配位、尺寸效應以及局域電子密度的精準調(diào)控來設計單原子催化劑，但缺少以MOFs衍生物為載體的相關(guān)SACs綜述作為指導。中國科學院蘭州化學物理研究所工業(yè)催化課題組近年來圍繞MOFs衍生的金屬氧化物催化劑和單原子催化劑開展了大量研究工作，相關(guān)論文發(fā)表在Chemical Engineering Journal（405, 2021, 126948；435, 2022, 134953)、Journal of Catalysis（412, 2022, 42-58）、Science of The Total Environment （860, 2023, 160472）等期刊上。
近日，該團隊以“Recent advances and future perspectives in MOF-derived single atom catalysts and their application: A review”為題在Journal of Materials Chemistry A（11, 2023, 3315-3363.）發(fā)表了MOFs衍生的單原子催化劑及其應用綜述。介紹了基于不同MOFs載體衍生后的金屬氧化物材料能提供不同的配位環(huán)境，從而有效對金屬離子進行錨定；闡述了不同MOF衍生的SACs會產(chǎn)生不同的活性位點，從而影響催化劑的性能以及催化作用機理；綜述了近幾年其在電催化、光催化以及熱催化等方面的應用。
文章從不同MOFs衍生的SACs、MOsF衍生的SACs活性位點以及在催化領域的應用等三部分進行了詳細論述。詳細總結(jié)了近些年基于不同MOFs基底提出的各種制備SACs的策略，深入探究了MOFs前驅(qū)體為單原子金屬離子提供的配位環(huán)境。介紹了通過改變金屬活性中心類別、配體種類、溶劑種類、載體形貌或摻入雜原子（O、S、P）等方法來提高MOFs衍生材料錨定金屬單原子能力，精準構(gòu)建對稱結(jié)構(gòu)（M-N4）和非對稱結(jié)構(gòu)（M-Nx），甚至是雙金屬（M1-M2）等活性位點等工作。詳細敘述了MOFs衍生SACs在電催化、光催化、熱催化領域的應用。MOFs衍生的SACs在電催化領域已有了較為成熟的發(fā)展，而在光、熱催化領域還具有很大探索空間和應用前景。
圖2 MOFs衍生的SACs在MOF基底、活性位點以及應用領域的相關(guān)進展
MOFs結(jié)構(gòu)的多樣性使得MOFs衍生的SACs研究領域更加廣泛，研究人員致力于研究結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，從而促進對多相催化的理解，設計和制備出適合大規(guī)模生產(chǎn)的更加高效的催化材料。
蘭州化物所馬思怡博士研究生為論文第一作者，唐志誠研究員、董芳副研究員為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學基金面上項目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的支持。
