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论文速递 | 兰亚乾教授课题组:钛簇基共价有机骨架纳米片用于选择性生物质光催化氧化
2022-08-09


第一作者:常迦南

通讯作者:兰亚乾教授、陈宜法教授


文章亮点

文章将吸光基团与氧化基团共价连接,制备了一种钛簇基共价有机骨架(MCOF-Ti6BTT)纳米片(~4 nm)并成功将其应用于HMF光催化氧化。


前言


2022年7月,Angewandte Chemie International Edition杂志在线发表了兰亚乾教授课题组在光催化氧化领域的最新研究成果。该工作报道了通过将吸光基团与氧化基团共价连接,制备了一种钛簇基共价有机骨架(MCOF-Ti6BTT)纳米片(~4 nm)并成功将其应用于HMF光催化氧化的最新研究。论文第一作者常迦南,通讯作者兰亚乾教授、陈宜法教授。


背景介绍


随着化石和能源供应需求的日益增加,可再生碳原料(如生物质)因其有可能取代石油资源而产生增值燃料或者精细化学品在近些年受到了广泛的关注。5-羟甲基糠醛(HMF)是一种重要的生物质衍生中间体,已被用于合成一系列药物、单体和精细化学品,比如马来酸酐(MA)、2,5-二甲酰呋喃(DFF)、5-羟甲基-2-呋喃羧酸(HMFCA)和2,5-呋喃羧酸(FDCA)等。其中,FDCA是合成生物基聚呋喃甲酸乙二醇酯(PEF)的重要单体,这类PEF塑料具有很大的取代常用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的潜力。因此,研究HMF的高选择性氧化制备FDCA的工艺具有重要的意义。


图表节选


HMF光催化氧化作为一种绿色、环保的途径受到广泛的研究和关注。然而,HMF的光氧化产物多种多样(比如FDCA、DFF、HMFCA或FFCA等),相关的机理研究较为复杂,导致已有体系中HMF光催化氧化转化率与选择性相对较低。一般来说,HMF的选择性光催化氧化的取决于光催化剂的光氧化能力,这就要求催化剂具有合适的能带结构和光吸收能力,能够有效利用光生电子和空穴分别进行O2活化和HMF氧化反应,从而避免氧化能力不足或过氧化现象的发生。金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一种典型的由金属离子/团簇和有机配体构建的多孔晶态材料,其具有结构清晰、功能和结构可调等独特性能,在HMF光催化氧化领域具有潜在的应用前景。


图1. 共价有机骨架纳米片用于HMF高选择性光催化氧化示意图


通过Ti6-NH2(吸光基团)与BTT(氧化基团)共价连接合成的钛簇基共价有机骨架(MCOF-Ti6BTT)纳米片(~4 nm)。这种纳米片具有可见光吸收能力、有效的电子-空穴分离效率和合适的光氧化能力,可以成功应用于HMF的选择性光催化氧化制备FDCA(选择性,>95%,转化率,~100%)。 


图2. MCOF-Ti6BTT的合成及表征


图3. MCOF-Ti6BTT用于HMF高选择性光催化氧化制备FDCA性能图


图4. DFT计算和光催化反应机理


该工作研究发现,Ti6-NH2(吸光基团)与BTT(氧化基团)的共价连接使体系中同时包含O2活化和HMF氧化反应的活性位点。因此将MCOF-Ti6BTT作为光催化剂时,其表现出优异的光催化氧化HMF性能,其在可见光下将HMF高选择性地光氧化为FDCA的选择性可高达95%,转化率约为100%,比MOF-901、Ti6-NH2和黑暗条件下的转化率高出2, 5和10倍以上。根据实验和密度泛函理论(DFT)计算结果,证实了HMF的选择性光催化氧化是在MCOF-Ti6BTT的作用下通过O2、光生电子(e-)、空穴(h+)共同实现的。这一工作为多孔晶态催化剂在HMF高选择性光催化氧化成FDCA领域的应用提供了新的设计思路。


团队设备配置


为了更好的推进科研工作,兰亚乾教授课题组与北京镁瑞臣科技有限公司达成合作,对实验设备进行更新换代,且在技术人员的帮助下安装调试完毕。设备正在启用中,期待更多科研成果。



小镁催化实验系统MC-SPB10用于CO2还原、光解水制氢、光解水制氧、全解水以及光催化固氮等实验,在高集成度、高自动化、高气密性、高效循环、高重复性优势的加持下,全新的小镁光催化实验系统MC-SPB10操作更便捷——极致精简至3个阀门,杜绝死体积;解放大脑——全自动极简化操作,是超越太阳能光催化设备的新一代产品。



氙灯光源MC-PF300C-UV是近紫外到红外光连续光谱、高光强、强稳定性光源。适用场景为:光催化二氧化碳还原、光催化全解水、光降解污染物、光催化量子效率测量等实验的光源需求。


模拟日光LED光源MC-LED-VIS具有全光谱LED灯头、纯可见光零紫外、光功率输出稳定、使用寿命长的特点。适用于纯可见光、低光强、零紫外光环境实验需求。



兰亚乾教授课题组定制的光电双室离线反应池配合小镁催化实验系统能够更好的达成实验效果。


作者简介


兰亚乾教授课题组自2012年底成立以来,主要致力于以团簇化学和配位化学为研究导向,设计合成结构新颖且稳定的晶态材料用于光、电、化学能等相关清洁能源领域的转化与应用。研究内容涉及多酸(POMs)、金属有机团簇(MOCs)、金属有机框架(MOFs)以及共价有机骨架材料(COFs)的合成与应用。目前,课题组已在光电催化领域包括水裂解反应,CO2还原、氧还原反应(ORR)以及质子导电和固态电解质材料方面等取得一系列重要进展。相关研究在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、Chem、Chem. Soc. Rev.等国际知名期刊上发表论文200余篇。团队目前有导师6名,博士后11名,博士9名,硕士16名。课题组网站:http://www.yqlangroup.com.


文章转自公众号:化学与材料科学

北京镁瑞臣科技有限公司(简称MC镁瑞臣)是一家集科研仪器研发制造、销售、服务于一体,以光催化行业为经营主线,致力于环境清洁、新能源、新材料、碳中和纵向深入发展和横向拓展并行的高科技企业。具有中关村高新技术企业认证和国家高新技术企业资质,企业信用评级AAA级企业认证,ISO9001质量管理体系质量认证及多项实用新型专利和发明专利。


在光催化实验设备技术研发方面不断攻克技术难题,为光催化降解污染物光解水制氢制氧或全解水光催化二氧化碳还原光催化合成氨(固氮)光催化降解VOC甲醛等实验提供运行更稳定、操作更便捷的实验设备整体解决方案。


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