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多孔骨架固定分子催化剂催化CO2加氢制备甲酸研究进展
丁杨, 王万辉, 包明
高等学校化学学报    2022, 43 (7): 20220309-.   DOI:10.7503/cjcu20220309
摘要   (705 HTML27 PDF(pc) (4135KB)(449)  

近年来, 大气中CO2含量急剧增加, 导致了严重的温室效应. 将CO2作为C1资源转化为燃料或精细化学品引起了越来越多的关注. 开发高效、 稳定、 可回收利用的催化剂成为CO2资源化利用的关键. 在众多的CO2加氢催化剂中, 功能性多孔骨架材料固定型分子催化剂展示出优异的性能, 成为研究的热点之一. 功能性骨架材料, 如多孔有机聚合物(POPs)、 共价有机骨架(COFs)和金属有机骨架(MOFs), 具有比表面积大、 热稳定性高和可调性等特点, 在设计合成催化剂方面发挥着重要作用. 本文介绍了POPs/COFs/MOFs多孔骨架材料固定分子催化剂的开发及在催化CO2合成甲酸领域的最新进展.



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Fig.4 Structures of [bpy?CTF?Ru(acac)2]Cl[33](A)and [bpy?CTF?RuCl3][34](B)
(A) Copyright 2018, American Chemical Society;(B) Copyright 2019, American Chemical Society.
正文中引用本图/表的段落
为了解决Cp*M型金属中心的浸出问题, 2018年, Yoon课题组[33]使用乙酰丙酮(acac)代替Cp*, 合成了多孔[bpy-CTF-Ru(acac)2]Cl催化剂[图4(A)]. 他们认为Ir金属中心催化H2异裂时, 联吡啶氮会发生质子化进而发生解配, 因此利用乙酰丙酮捕获H2异裂产生的质子, 从而避免金属中心与吡啶配体的解配, 进而减少金属浸出. 该催化剂在1 mol/L的Et3N水溶液中, 于8 MPa[V(CO2)∶V(H2)=1∶1], 120 ℃条件下展示出极高的初始TOF(22700 h-1); 而在3 mol/L的Et3N水溶液中, 于8 MPa[V(CO2)∶V(H2)= 1∶1], 120 ℃条件下反应5 h的TON高达21200. 该催化剂展示出优异的回收性能, 重复利用4次后, 催化剂的活性没有降低. 含氧配体的引入不仅提升了催化剂的活性, 同时也大大改善了催化剂的回 收利用性能. 2019年, 该课题组[34]将RuCl3负载在含有三嗪和联吡啶单元的共价三嗪框架上, 得到 [bpy-CTF-RuCl3]催化剂[图4(B)]用于CO2加氢生成甲酸. 在120 ℃, 8 MPa[V(CO2)∶V(H2)=1∶1], 3 mol/L的Et3N水溶液中反应2.5 h, TON可达20000, TOF可达38800 h-1. 该类催化剂具有出色的回收性能, 可循环使用5次而不发生明显的活性损失. 基于DFT计算的机理研究表明, 高压下CO2在Et3N水溶液中形成碳酸氢盐, 碳酸氢根取代acac配体并形成[Ru(acac)(HCO3)(bpy)]中间体. 该中间体随后与H2反应形成Ru-H活性中间体. 该步骤为反应的决速步骤. 随后, CO2插入到Ru—H键之间, 形成了甲酸根配位的中间体. 甲酸根解离后完成整个催化循环.
Copyright 2016, Elsevier. ...
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... 为了解决Cp*M型金属中心的浸出问题, 2018年, Yoon课题组[33]使用乙酰丙酮(acac)代替Cp*, 合成了多孔[bpy-CTF-Ru(acac)2]Cl催化剂[图4(A)]. 他们认为Ir金属中心催化H2异裂时, 联吡啶氮会发生质子化进而发生解配, 因此利用乙酰丙酮捕获H2异裂产生的质子, 从而避免金属中心与吡啶配体的解配, 进而减少金属浸出. 该催化剂在1 mol/L的Et3N水溶液中, 于8 MPa[V(CO2)∶V(H2)=1∶1], 120 ℃条件下展示出极高的初始TOF(22700 h-1); 而在3 mol/L的Et3N水溶液中, 于8 MPa[V(CO2)∶V(H2)= 1∶1], 120 ℃条件下反应5 h的TON高达21200. 该催化剂展示出优异的回收性能, 重复利用4次后, 催化剂的活性没有降低. 含氧配体的引入不仅提升了催化剂的活性, 同时也大大改善了催化剂的回 收利用性能. 2019年, 该课题组[34]将RuCl3负载在含有三嗪和联吡啶单元的共价三嗪框架上, 得到 [bpy-CTF-RuCl3]催化剂[图4(B)]用于CO2加氢生成甲酸. 在120 ℃, 8 MPa[V(CO2)∶V(H2)=1∶1], 3 mol/L的Et3N水溶液中反应2.5 h, TON可达20000, TOF可达38800 h-1. 该类催化剂具有出色的回收性能, 可循环使用5次而不发生明显的活性损失. 基于DFT计算的机理研究表明, 高压下CO2在Et3N水溶液中形成碳酸氢盐, 碳酸氢根取代acac配体并形成[Ru(acac)(HCO3)(bpy)]中间体. 该中间体随后与H2反应形成Ru-H活性中间体. 该步骤为反应的决速步骤. 随后, CO2插入到Ru—H键之间, 形成了甲酸根配位的中间体. 甲酸根解离后完成整个催化循环. ...

(A) Copyright 2018, American Chemical Society;(B) Copyright 2019, American Chemical Society. ...
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... 为了解决Cp*M型金属中心的浸出问题, 2018年, Yoon课题组[33]使用乙酰丙酮(acac)代替Cp*, 合成了多孔[bpy-CTF-Ru(acac)2]Cl催化剂[图4(A)]. 他们认为Ir金属中心催化H2异裂时, 联吡啶氮会发生质子化进而发生解配, 因此利用乙酰丙酮捕获H2异裂产生的质子, 从而避免金属中心与吡啶配体的解配, 进而减少金属浸出. 该催化剂在1 mol/L的Et3N水溶液中, 于8 MPa[V(CO2)∶V(H2)=1∶1], 120 ℃条件下展示出极高的初始TOF(22700 h-1); 而在3 mol/L的Et3N水溶液中, 于8 MPa[V(CO2)∶V(H2)= 1∶1], 120 ℃条件下反应5 h的TON高达21200. 该催化剂展示出优异的回收性能, 重复利用4次后, 催化剂的活性没有降低. 含氧配体的引入不仅提升了催化剂的活性, 同时也大大改善了催化剂的回 收利用性能. 2019年, 该课题组[34]将RuCl3负载在含有三嗪和联吡啶单元的共价三嗪框架上, 得到 [bpy-CTF-RuCl3]催化剂[图4(B)]用于CO2加氢生成甲酸. 在120 ℃, 8 MPa[V(CO2)∶V(H2)=1∶1], 3 mol/L的Et3N水溶液中反应2.5 h, TON可达20000, TOF可达38800 h-1. 该类催化剂具有出色的回收性能, 可循环使用5次而不发生明显的活性损失. 基于DFT计算的机理研究表明, 高压下CO2在Et3N水溶液中形成碳酸氢盐, 碳酸氢根取代acac配体并形成[Ru(acac)(HCO3)(bpy)]中间体. 该中间体随后与H2反应形成Ru-H活性中间体. 该步骤为反应的决速步骤. 随后, CO2插入到Ru—H键之间, 形成了甲酸根配位的中间体. 甲酸根解离后完成整个催化循环. ...

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