In situ Confinement Growth Strategy for Ordered Mesoporous Carbon Support Ultrasmall MoO3 Nanoparticles

doi:10.7503/cjcu20200303

Abstract

Abstract:

Ultrasmall particle sizes and excellent dispersity of the MoO₃ active species on support majorly dominate their catalytic performances. Herein， a series of ordered mesoporous carbon support ultrasmall molybdena nanoparticles（OMC-US-MoO₃） composites was synthesized through an in situ confinement growth strategy. Ordered mesoporous carbon was used as the matrix to in situ confine the growth of MoO₃ nanocrystals. The obtained MoO₃ nanocrystals show ultrasmall particle sizes（<5 nm） and excellent dispersity on the meso- porous carbon frameworks. The obtained OMC-US-MoO₃ exhibits tunable specific surface areas（428―796 m²/g）， pore volumes（0.27―0.62 cm³/g）， MoO₃ contents（4%―27%， mass fraction） and uniform pore sizes（4.6―5.7 nm）. As a typical example， the obtained sample with 7% MoO₃（denoted as OMC-US-MoO₃-7） shows the largest pore size， smallest thickness of pore wall and most regular mesostructures. When being used as a catalyst， the OMC-US-MoO₃-7 exhibits an excellent catalytic activity for selective oxidation of cyclooctene with a high stability.

Key words: Ordered mesoporous carbon, MoO₃ nanocrystal, Nanomaterials, Confinement growth

CLC Number:

O611.4

TrendMD:

WANG Changyao, WANG Shuai, DUAN Linlin, ZHU Xiaohang, ZHANG Xingmiao, LI Wei. In situ Confinement Growth Strategy for Ordered Mesoporous Carbon Support Ultrasmall MoO₃ Nanoparticles[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1589.

Figures/Tables 10

Fig.1 Illustration of the construction of OMC?US?MoO3 composites via the in situ confinement growth strategy

Fig.2 TGA curves of the OMC?US?MoO3 composites with different MoO3 contents obtained after pyrolysis at 600 ℃, respectivelyMass fraction of MoO3(%): a. 4; b. 7; c. 10; d. 16; e. 27.

Table 1 Structural and textural parameters for OMC-US-MoO3 with different content

Sample No.	MoO₃ content(%, mass fraction)	S_BET/(m²·g^-1)	V/(cm³·g^-1)	D/nm
1	4	796	0.62	4.7
2	7	693	0.54	5.7
3	10	652	0.49	5.5
4	16	574	0.41	5.4
5	27	428	0.27	4.6

Fig.3 SAXS(A) and WA?XRD(B) patterns of the OMC?US?MoO3 composites with different MoO3 contents obtained after pyrolysis at 600 ℃Mass fraction of MoO3(%): a. 4; b. 7; c. 10; d. 16; e. 27.

Fig.4 N2 adsorption?desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of the OMC?US?MoO3 composites with different MoO3 contents obtained after pyrolysis at 600 ℃Mass fraction of MoO3(%): a. 4; b. 7; c. 10; d. 16; e. 27.

Fig.5 SEM images of OMC?US?MoO3 composites with different MoO3 contents obtained after pyrolysis at 600 ℃Mass fraction of MoO3(%): (A) 4; (B) 7; (C) 10; (D) 16;(E) 27.

Fig.6 TEM images of OMC?US?MoO3?7 composites obtained after pyrolysis at 600 ℃Viewed along the hexagonal(A) and columnar(B, C) directions and HRTEM image(D) of a representative MoO3 nanoparticle.

Fig.7 Survey XPS spectrum(A) and high?resolution XPS spectra of Mo3d(B) for OMC?US?MoO3?7 composites obtained after pyrolysis at 600 ℃

Table 2 Calculating TOF value for epoxidation of cyclooctene and comparing with other catalysts*

Catalyst	Time/h	Conv.(%)	Epoxide sel.(%)	TOF/h^-1
OMC-US-MoO₃-7	2	52	>99	2163
MoO₃/C	2	80	100	53^[8]
MoO₃/SiO₂	6	90	100	72^[35]
Mo-MOFs	7	93	99	270^[9]
Mo-MCM-41	3	97	95	22^[36]
Mo-SBA-15	3	99	93	40^[36]
[PiperazinCH₂{MoO₂(Salen)}]_n	12	95	98	16^[37]
MNP₃₀-Si-inic-Mo	24	46	100	2^[38]

Fig.8 Time course plots of cyclooctene epoxidation(A) and reusability(B) by using OMC?US?MoO3?7 composites as catalystReaction conditions: 40.0 mmol of cyclooctene, 40.0 mmol of 5.5 mol/L TBHP in decane, 10 mg of OMC-US-MoO3-7 catalyst(0.0048 mmol/L of MoO3), 6.0 g of 1,2-dichloroethane as solvent, and 15.0 mmol of chlorobenzene as internal standard. The reaction temperature is 80 ℃.

References 42

1	Xi Z.， Zhou N.， Sun Y.， Li K.， Science， 2001， 292（5519）， 1139—1141
2	Kamata K.， Yonehara K.， Sumida Y.， Yamaguchi K.， Hikichi S.， Mizuno N.， Science， 2003， 300（5621）， 964—966
3	Liu B.， Wang P.， Lopes A.， Jin L.， Zhong W.， Pei Y.， Suib S. L.， He J.， ACS Catal.， 2017， 7（5）， 3483—3488
4	Bujak P.， Bartczak P.， Polanski J.， J. Catal.， 2012， 295， 15—21
5	Dou J.， Zeng H. C.， J. Phys. Chem. C， 2012， 116（14）， 7767—7775
6	Xiao L. P.， Wang S.， Li H.， Li Z.， Shi Z. J.， Xiao L.， Sun R. C.， Fang Y.， Song G.， ACS Catal.， 2017， 7（11）， 7535—7542
7	Shetty M.， Murugappan K.， Green W. H.， Román⁃Leshkov Y.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2017， 5（6）， 5293—5301
8	Doke D. S.， Umbarkar S. B.， Gawande M. B.， Zboril R.， Biradar A. V.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2016， 5（1）， 904—910
9	Noh H.， Cui Y.， Peters A. W.， Pahls D. R.， Ortuño M. A.， Vermeulen N. A.， Cramer C. J.， Gagliardi L.， Hupp J. T.， Farha O. K.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（44）， 14720—14726
10	Luo Z.， Miao R.， Huan T. D.， Mosa I. M.， Poyraz A. S.， Zhong W.， Cloud J. E.， Kriz D. A.， Thanneeru S.， He J.， Adv. Energy Mater.， 2016， 6（16）， 1600528
11	Brezesinski T.， Wang J.， Tolbert S. H.， Dunn B.， Nat. Mater.， 2010， 9（2）， 146—151
12	Chen L.， Jiang H.， Jiang H.， Zhang H.， Guo S.， Hu Y.， Li C.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（15）， 1602782
13	Hosono K.， Matsubara I.， Murayama N.， Woosuck S.， Izu N.， Chem. Mater.， 2005， 17（2）， 349—354
14	Wang L.， Gao P.， Zhang G.， Chen G.， Chen Y.， Wang Y.， Bao D.， Eur. J. Inorg. Chem.， 2012， 2012（35）， 5831—5836
15	Fernandes C. I., Capelli S. C., Vaz P. D., Nunes, C. D., Appl. Catal. A: Gen., 2015, 504, 344—350
16	da Palma Carreiro E., Burke A. J., J. Mol. Catal. A: Chem., 2006, 249(1), 123—128
17	Chen W.， Pei J.， He C. T.， Wan J.， Ren H.， Zhu Y.， Wang Y.， Dong J.， Tian S.， Cheong W. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56（50）， 16086—16090
18	Solar J.， Derbyshire F.， De Beer V.， Radovic L. R.， J. Catal.， 1991， 129（2）， 330—342
19	Lee S. H.， Kim Y. H.， Deshpande R.， Parilla P. A.， Whitney E.， Gillaspie D. T.， Jones K. M.， Mahan A. H.， Zhang S.， Dillon A. C.， Adv. Mater.， 2008， 20（19）， 3627—3632
20	Tavasoli A.， Karimi S.， Shoja M.， Int. J. Ind. Chem.， 2013， 4（1）， 21
21	Wang C.， Zhao Y.， Zhou L.， Liu Y.， Zhang W.， Zhao Z.， Hozzein W. N.， Alharbi H. M. S.， Li W.， Zhao D.， J. Mater. Chem. A， 2018， 6（43）， 21550—21557
22	Wang C.， Wan X.， Duan L.， Zeng P.， Liu L.， Guo D.， Xia Y.， Elzatahry A. A.， Li W.， Zhao D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（44）， 15863—15868
23	Zhang P.， Zhang J.， Dai S.， Chem. Eur. J.， 2017， 23（9）， 1986—1998
24	Reyes P.， Borda G.， Gnecco J.， Rivas B. L.， J. Appl. Polym. Sci.， 2004， 93（4）， 1602—1608
25	Qin M.， Liu M.， Zhang Q.， Li C.， Liang S.， J. Appl. Polym. Sci.， 2013， 128（1）， 642—646
26	Zhang F.， Hu H.， Zhong H.， Yan N.， Chen Q.， Dalton Trans.， 2014， 43（16）， 6041—6049
27	Meng Y.， Gu D.， Zhang F.， Shi Y.， Yang H.， Li Z.， Yu C.， Tu B.， Zhao D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2005， 44（43）， 7053—7059
28	Wang S.， Zhao Q.， Wei H.， Wang J. Q.， Cho M.， Cho H. S.， Terasaki O.， Wan Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（32）， 11849—11860
29	Chen J.， Burger C.， Krishnan C. V.， Chu B.， J. Am. Chem. Soc.， 2005， 127（41）， 14140—14141
30	Liu R.， Shi Y.， Wan Y.， Meng Y.， Zhang F.， Gu D.， Chen Z.， Tu B.， Zhao D.， J. Am. Chem. Soc.， 2006， 128（35）， 11652—11662
31	Dong W.， Sun Y.， Lee C. W.， Hua W.， Lu X.， Shi Y.， Zhang S.， Chen J.， Zhao D.， J. Am. Chem. Soc.， 2007， 129（45）， 13894—13904
32	Liu R.， Ren Y.， Shi Y.， Zhang F.， Zhang L.， Tu B.， Zhao D.， Chem. Mater.， 2008， 20（3）， 1140—1146
33	Patnaik S.， Swain G.， Parida K.， Nanoscale， 2018， 10（13）， 5950—5964
34	Qin P.， Fang G.， Cheng F.， Ke W.， Lei H.， Wang H.， Zhao X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2014， 6（4）， 2963—2973
35	Ji W.， Shen R.， Yang R.， Yu G.， Guo X.， Peng L.， Ding W.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（3）， 699—704
36	Qin P.， Fang G.， Ke W.， Cheng F.， Zheng Q.， Wan J.， Lei H.， Zhao X.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（8）， 2742—2756
37	Chandra P.， Doke D. S.， Umbarkar S. B.， Biradar A. V.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（44）， 19060—19066
38	Bakala P. C.， Briot E.， Salles L.， Brégeault J. M.， Appl. Catal. A： Gen.， 2006， 300（2）， 91—99
39	Bagherzadeh M.， Zare M.， J. Coord. Chem.， 2013， 66（16）， 2885—2900
40	Fernandes C. I.， Carvalho M. D.， Ferreira L. P.， Nunes C. D.， Vaz P. D.， J. Organomet. Chem.， 2014， 760， 2—10
41	Muylaert I.， Musschoot J.， Leus K.， Dendooven J.， Detavernier C.， Van Der Voort P.， Eur. J. Inorg. Chem.， 2012， 2012（2）， 251—260
42	El⁃Korso S.， Bedrane S.， Choukchou⁃Braham A.， Bachir R.， RSC Adv.， 2015， 5（78）， 63382—63392

[1]	YANG Ruiqi, YU Xin, LIU Hong. Scientific Study of Photocatalytic Material Based on Sn₃O₄ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1340.
[2]	GE Haoying, DU Jianjun, LONG Saran, SUN Wen, FAN Jiangli, PENG Xiaojun. Surface Functionalized Gold Nanomaterials in Tumor Diagnosis and Treatment [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1202.
[3]	SHI Jiangwei, MENG Nannan, GUO Yamei, YU Yifu, ZHANG Bin. Recent Advances of Two-dimensional Materials for Electrocatalytic Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 492.
[4]	WEI Junyi, GAO Zhihua, HUANG Wei, AI Peipei, YAN Feifei, YOU Xiangxuan. Effect of Structural Ordering on the Performance of Mesoporous Carbon Supported CuCoCe Catalyst in the Synthesis of Higher Alcohols from Syngas^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(8): 1741.
[5]	. Preparation and Optical Properties of One-dimensional Sub-microstructures of Naphthalene-1,4-dicarbonitrile [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(7): 1451.
[6]	LI Kai-Xiang, LI Xiao-Hong*, SONG Li-Ying, WU Peng. Asymmetric Hydrogenation of α-Ketoesters on Chirally Modified Pt Catalysts Supported on MPC-61 Ordered Mesoporous Carbon [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(6): 1354.
[7]	LI Xia, LIU Gui-Xia*, DONG Xiang-Ting, WANG Jin-Xian. Preparation and Properties of GdF3∶Eu3+ Luminescent Nanomaterials with Special Morphology [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(1): 23.
[8]	SUN Rui-Qin, ZHOU Xu, SUN Lin-Bing, WU Hao, CHUN Yuan*, XU Qin-Hua. Synthesis of High-specific-surface-area Solid Strong Base MgO with Pinewood as Exotemplate [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2007, 28(12): 2333.
[9]	LI Dao-Rong, SUN Ling-Na, HU Chang-Wen. Influence of NH₄Cl on Formation, Structure and Properties of Titania Nanocrystals [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2006, 27(5): 797.
[10]	ZHANG Xiu-Juan, ZHANG Xiao-Hong, WU Shi-Kang, . Preparation of Pyrene Nanomaterials with Different Mophologies in a Surfactant Solution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2005, 26(7): 1330.
[11]	CAO Ya-Li, JIA Dian-Zeng, LIU Lang, FAN Zhao-Tian . Synthesis of Cd(OH)₂ Nanorods by Solid-state Chemical Reaction at Room Temperature [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2004, 25(9): 1601.
[12]	JU Wei-Gang, ZHANG Xiao-Hong, WU Shi-Kang . Preparation of TiO₂ Nano-materials Using Gelator Aggregation as Template and Its Properties [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2004, 25(12): 2308.
[13]	ZHAO Yong-Nan, CHEN Xiang-Ming, LI Xiu-Hong, WANG Yong, WANG Chao-Ying, LI Ming, MAI Zhen-Hong . Solvothermal Synthesis of Nanostructured Cobalt Fiber Under Microemulsion Media [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2003, 24(6): 986.

In situ Confinement Growth Strategy for Ordered Mesoporous Carbon Support Ultrasmall MoO₃ Nanoparticles

RichHTML

PDF (PC)

Supplement

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 10

References 42

Related Articles 13

Recommended Articles

Metrics

Comments