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Angew. Chem. :多酸基MOF配位缺陷诱导的受阻Lewis对实现高效催化加氢

受阻路易斯对(FLP)催化剂因其路易斯酸(LA)和路易斯碱(LB)位点协同活化小分子的优异能力而在催化领域备受关注。考虑催化剂的实际应用,设计合成三维多孔非均相FLP催化剂在近年来引起广泛研究兴趣。金属有机框架(MOFs)材料由于比表面积大、孔隙率高、组成结构可调等优势而成为负载活性LA–LB物种的理想载体。


传统的MOF基非均相FLP催化剂的设计合成依赖于将有机LA和LB分子负载至MOF空腔。然而,外源客体分子的可移动性不可避免地会导致LA和LB位点之间的距离难以精确调控:距离过远或过近均会导致其协同作用完全失效。因此,基于MOF本征结构调控构建FLP位点或可为精准设计合成三维多孔FLP催化剂提供一种有效策略。


近日,大连理工大学刘艺伟研究员团队首次基于本征结构调控,通过提出一种配位缺陷诱导策略,在多酸基MOF体系实现了FLP位点的精准构建。其中,配体缺陷的低配位金属节点为LA位点,多酸表面氧为LB位点。本征的晶态属性保证了LA和LB位点的可控及明确分布。由于这种独特的无机FLP位点能够有效活化H2,因而该FLP催化剂在乙炔半加氢反应中展现出优异的催化活性。



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通过组成测定及EXAFS分析可知,缺陷多酸基MOF中Cu金属节点由原四配位变为不饱和三配位。且结构分析及计算表明,这种配位缺陷结构并不会导致骨架结构坍塌,多酸分子仍能封装在主体MOF孔内。基于单晶结构分析,多酸和MOF空腔之间的对称性及尺寸高度匹配致使多酸表面端氧(LB)明确指向缺陷Cu位点(LA),且距离固定为~ 4.3 Å(适于H2活化)。同时,骨架对多酸的固载作用致使多酸难以移动,因而避免了LA–LB酸碱加合物的形成。

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系列催化实验表明该FLP催化剂针对乙炔半加氢反应展现出优异的催化性能,明显优于已报道的铜基催化剂。DFT计算及XPS、原位红外等表征表明该FLP位点能够将H2高效异裂为高活性Hδ−物种,显著降低H2的活化能垒,因而在乙炔半加氢反应中表现出优异性能,且活性分别是无缺陷多酸基MOF(仅LB位点)及缺陷MOF(仅LA位点)的55倍和2.7倍。

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该项工作基于对MOF本征金属节点的配位结构调控以及孔环境修饰,为精准设计合成三维多孔FLP催化剂提供了新途径。同时,基于多酸和MOFs的组成、结构、性质多样性及其丰富的共组装模式,该策略也为精准设计多重功能位点催化剂以实现高效协同催化提供了新思路。

文信息

Coordination Defect-Induced Frustrated Lewis Pairs in Polyoxo-metalate-Based Metal–Organic Frameworks for Efficient Catalytic Hydrogenation

Yan Liang, Dr. Zhong Zhang, Dr. Xiaofang Su, Dr. Xiao Feng, Songzhu Xing, Dr. Wei Liu, Dr. Rui Huang, Prof. Dr. Yiwei Liu


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202309030




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