作者:谢琎等 来源:《物质》 发布时间:2023/11/23 23:36:38
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富含硼氧活性位点的热稳定层柱状框架类材料助力丙烷氧化脱氢

 

2023年11月23日,中国石油大学(华东)代鹏程副教授、齐鲁工业大学赵学波教授和上海科技大学谢琎研究员在Matter期刊上发表了题为“A thermostable pillared layered metal-borate-organic network featuring neighboring boron sites for oxidative dehydrogenation of propane”的研究成果。

研究团队报道了一种富含硼氧活性位点的热稳定层柱状框架类材料(MBON-2)的合成方法,MBON-2具有新颖的类石墨烯层状ZnBO结构,ZnBO层具有良好的高温热稳定性,不仅可以起到防止有机配体被快速氧化的作用,其边缘位大量的硼氧位点在催化丙烷氧化脱氢反应时展现了出色的性能。

论文第一作者为曹磊博士,通讯作者为代鹏程副教授、赵学波教授和谢琎研究员。

金属有机框架(MOF)是一类由金属离子/团簇与有机配体通过自组装链接而成的晶体材料。由于大量的开放位点(暴露的金属节点或有机配体)可以起到催化中心的作用,框架类材料在多相催化研究中备受关注。在一些反应条件较为温和的催化反应中,框架类材料已经展现出令人歆羡的性能。然而,受限于较差的高温抗氧化性,鲜有MOF出现在高温氧化类反应中,特别是一些轻质烷烃的转化反应。催化丙烷氧化脱氢制烯烃(ODHP)被认为是一种潜在快速提升丙烯产能的生产工艺,但苛刻的反应条件限制了框架类材料在ODHP中的应用。因此,发展新型热稳定框架类材料,并借助网络化学的结构优势阐明ODHP的催化机理是一个重要且具有挑战性的课题。

图1:MBON-2的合成与结构确认。

在这项工作中,研究团队报道了一种新颖的框架类结构(命名为MBON-2),MBON-2是一种层柱状结构,每一层ZnBO具有与石墨烯相似的六元环结构,有机配体咪唑像支撑柱一样沿c轴向通过Zn-N配位将层状ZnBO链接成一种三维网络框架,ZnBO是一种良好的阻燃材料,可以抑制有机配体在含氧气氛下的快速分解。相应的热重分析结果显示MBON-2具有出色的高温抗氧化性,在含氧气氛下可以稳定到560 ℃,良好的热稳定性让MBON-2具有应用于高温氧化类反应的潜力。

图2:MBON-2的结构表征。

MBON-2具有三维花状多级结构,这种新颖的结构特点有利于反应过程中的传质作用。同时HAADF-STEM表征结果确认了MBON-2中的ZnBO层具有类石墨烯六元环结构,而且ZnBO层边缘位富含大量具有催化ODHP反应能力的硼氧位点。当MBON-2作为ODHP催化剂时,展现优异的催化性能,在丙烷转化率位14.4%时,烯烃的选择性达到了87.0%,其中丙烯为76.4%,乙烯为10.6%,反应活性则略高于目前性能最优的六方氮化硼纳米片。

图3:MBON-2催化丙烷氧化脱氢的性能汇总。

图4:MBON-2催化ODHP时潜在的反应路径。

催化ODHP反应前后的催化剂表征结果证明MBON-2具有出色的结构稳定性。密度泛函理论计算结果显示,在不生成层间硼氧低聚物和硼氧环的情况下,单层类石墨烯ZnBO上的一对邻近硼氧位点可以依次活化并夺取丙烷分子上的氢原子进而生成丙烯分子。相关实验结果丰富了对硼系材料催化ODHP的反应机理认知,同时也为构筑热稳定框架类材料提供了新思路。

该项工作受到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、博士后科学基金(面上资助和特别资助)、上科大启动经费和“双一流”建设经费的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.10.018

 
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