金属有机骨架化合物（MOFs）作为储氢材料的研究进展*

氢的储存对于21世纪氢经济时代的发展至关重要。金属有机骨架化合物（MOFs）因具有纯度高、结晶度高、成本低、能够大批量生产和结构可控等优点,在气体存储尤其是氢的存储方面展示出广阔的应用前景。本文详细综述了近年来MOFs类化合物（MOF-5、IRMOFs和MMOMs）作为储氢材料的研究进展,介绍了各种用于改善MOFs材料储氢性能的结构改性方法,总结了MOFs储氢材料在理论模拟计算方面的研究进展,并指出了MOFs储氢材料目前存在的不足和发展方向。     

金属有机骨架材料负载镍纳米颗粒催化硝基苯加氢

以MIL-53(Al)、MIL-96(Al)和MIL-120(Al) (MIL: Material Institute of Lavorisier)三种金属有机骨架材料为载体, 采用浸渍法制备了负载廉价金属镍纳米颗粒的催化剂. 将其用于催化硝基苯加氢合成苯胺反应, 发现以MIL-53(Al)为载体制得的催化剂表现出优异的催化性能. 采用不同的镍前驱体, 如硝酸镍、醋酸镍、乙二胺合镍, 制备了一系列Ni/MIL-53(Al)催化剂. 通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、电感耦合等离子体、N₂物理吸附、H₂程序升温还原、透射电镜等技术对其进行了表征, 研究了镍前驱体对金属-载体相互作用、镍颗粒尺寸以及分散程度的影响.结果表明:以乙二胺合镍为镍前驱体制得的催化剂具有金属-载体相互作用适中、镍纳米颗粒更小(4-5 nm)和分布更均匀的特点, 在硝基苯加氢反应中表现出优异的催化性能, 硝基苯转化率达到100%.回收重复使用5次后, 此催化剂仍保持催化活性,硝基苯转化率达92%.     

多孔金属有机骨架材料储氢性能分子模拟

采用优化的DREIDING力场参数, 通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对H₂在IRMOF-1、IRMOF-61和IRMOF-62共3种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附平衡性能进行了比较研究. 结果表明, 该力场能够在全压力范围内很好地复制H₂在IRMOF-62材料中的等温吸附曲线; 但对低压下H₂在IRMOF-61中的等温吸附曲线预测出现低估. 与IRMOF-1相比, 具有互穿骨架结构的IRMOF-61和IRMOF-62材料在常温下的储氢能力并无明显提高. 进一步比较77 K时100 kPa、3.0 MPa下H₂在上述MOFs材料中达到吸附平衡时的几率密度分布发现, H₂会优先吸附在Zn₄O骨架附近靠近苯环的位置;对具有互穿结构的MOFs材料而言,由于其孔腔尺寸缩小, 使得H₂优先吸附位区域零散化. 适当长度的有机配体形成的互穿骨架结构能增强与H₂分子之间的相互作用, 具备较高的储氢能力; 而有机配体尺寸过长则会增加骨架结构中H₂吸附死角, 对H₂的吸附能力反而出现下降.     

离子液热条件下金属有机骨架化合物的合成

以1-丁基-3-甲基咪唑氟硼酸盐为溶剂, 在离子液热条件下得到两个化合物Zn3(BDC)3(MIA)2(1) 和Zn(HBTZ)(MIA)(BPY)(2). X射线衍射分析表明, 两种化合物的晶体分别属于单斜晶系, C2/c空间群和正交晶系, Fdd2空间群. 化合物1为三维结构, 在除去端基的N-甲基咪唑后, 形成了大约0.9 nm×0.9 nm的一维菱形孔道. 化合物2中的链状次级结构单元则通过π键和氢键作用形成了超分子结构.     

基于金属有机骨架前驱体制备纳米磷化镍催化剂

采用镍基金属有机骨架化合物(Ni-MOF)为前驱体,通过低温碳化获得Ni@C,并通过磷化成功地制备了不同结构的磷化镍纳米颗粒。将所得材料应用于析氢反应(HER)催化剂,在Ni@C与红磷质量比为1∶1及热解温度为500℃时获得的Ni1P1-500表现出优异的电催化性能,在酸性介质中,电流密度为10 mA·cm-2时,过电位为178 mV,并展现了良好的循环性能。较小的Tafel斜率(62 mV·dec-1)揭示了析氢反应的机理为Desorption-Heyrovsky机制。优异的电催化性能可归因于磷化镍催化剂表面存在的质子受体(P位点)和氢化物受体(Ni位点)活性中心。     

溶剂效应对金属有机骨架化合物结构的影响

以水和DMF为溶剂,在水热(溶剂热)条件下以"柱撑"方式利用相同的金属和配体合成了2个不同的新型金属有机骨架化合物[Cd(OBA)(bipy)]·DMF(1)和Cd(OBA)(bipy)(2)[OBA=4,4'-Oxybis(ben-zoic acid),bipy=4,4'-bipyridine].单晶X射线衍射分析数...     

Co金属有机骨架模板制备NiCo水滑石/泡沫镍复合材料及电容性能

通过两步法先在泡沫镍(nickel foam,NF)上原位生长Co金属有机骨架(Co metal-organic framework,Co-MOF)纳米片阵列,再浸入不同浓度Ni²⁺离子溶液刻蚀Co-MOF纳米片,在NF表面得到NiCo水滑石(NiCo layered double hydroxide,NiCo-LDH)。NiCo-LDH/NF继承了Co-MOF纳米片结构形成一级纳米片阵列,并在一级纳米片表面形成次级纳米片褶皱。在2 mmol Ni(NO₃)₂·6H₂O溶液中刻蚀得到的NiCo-LDH/NF表现出高容量、高倍率性能,在电流密度为5 mA·cm^-2时比电容为7 764.5 mF·cm^-2,电流密度为20 mA·cm^-2时比电容为6 098.2 mF·cm^-2,容量保持率为78.5%,在20 A·g^-1电流密度下经过5 000次长循环后,容量保持率为85.9%。与活性炭组装的混合...     

Co金属有机骨架模板制备NiCo水滑石/泡沫镍复合材料及电容性能

通过两步法先在泡沫镍(nickel foam,NF)上原位生长Co金属有机骨架(Co metal-organic framework,Co-MOF)纳米片阵列,再浸入不同浓度Ni²⁺离子溶液刻蚀Co-MOF纳米片,在NF表面得到NiCo水滑石(NiCo layered double hydroxide,NiCo-LDH)。NiCo-LDH/NF继承了Co-MOF纳米片结构形成一级纳米片阵列,并在一级纳米片表面形成次级纳米片褶皱。在2 mmol Ni(NO₃)₂·6H₂O溶液中刻蚀得到的NiCo-LDH/NF表现出高容量、高倍率性能,在电流密度为5 mA·cm^-2时比电容为7 764.5 mF·cm^-2,电流密度为20 mA·cm^-2时比电容为6 098.2 mF·cm^-2,容量保持率为78.5%,在20 A·g^-1电流密度下经过5 000次长循环后,容量保持率为85.9%。与活性炭组装的混合电容器达到38.9 Wh·kg^-1的最大能量密度和8 000.0 W·kg^-1的最大功率密度。     

金属有机骨架基催化剂在加氢反应中的应用

加氢是现代化工产业中的一类主干反应,广泛应用于精细化学品、药物、食品、染料、功能聚合物及香料等制造产业中.高效催化剂的引入使得加氢反应能够在相对温和的条件下还原各类不饱和化合物.金属催化剂在加氢反应中活性高,所需的反应温度较低,适用性广,但是容易和S,N,As和P等元素结合而"中毒"失去反应活性.金属氧化物催化剂和金属硫化物催化剂具有一定的抗毒性,但活性相对较差,通常需要采用高温高压的反应条件,对催化剂本身和反应器的要求较为苛刻.传统催化剂在反应中具有一定的局限性,所以亟需开发新一代高效的加氢催化剂,在保证高活性和高选择性催化效果的同时,降低对能源的消耗和对环境的负面影响.金属有机骨架(MOFs)作为一种新型的多孔材料在过去二十年中受到相当大的关注,并在催化、气体存储和分离、传感器、发光材料和药物输送等众多领域的应用中表现出卓越的性能.利用MOF材料良好的相容性,将MOF和其它功能材料结合形成新的复合材料可以在更大程度上扩大MOF材料的应用领域.与传统的催化剂相比,MOF基材料具有优异的物理化学特性和结构可调性,通过合理的设计能够满足不同的催化加氢过程:(1)MOF基催化剂具有多样且特异性的活性位点.除了组成MOF材料的金属离子/簇和功能有机配体之外,MOF材料可通过封装其他活性物质或者被活性物质包裹等方式引入其他类型的催化位点,进一步扩大MOF基催化剂在不同催化加氢中的适应性.此外,不同的活性位点之间的协同作用又能特异性地促进反应的进行,对提高反应的选择性起到重要的作用.(2)活性位点的尺寸大小和空间分布可以被有效控制.这能影响到催化剂在催化反应过程中的活性和选择性,并且通过MOF材料的限域效应,同时能增强活性位点的稳定性和耐久性.(3)高比表面积能提高MOF基催化剂的催化活性.这种结构特性不仅可以增加MOF基催化剂的活性位点,而且能够吸附反应物和还原剂达到扩大其局部浓度的效果.(4)反应分子的扩散可通过调节MOF基催化剂的结构实现控制.通过调整MOF材料的孔窗口和通道的尺寸,能够改变反应物在催化剂内部的扩散途径,影响底物和活性位点的接触,能进一步影响反应的活性和选择性.本文总结了近几年来MOF基材料在不同的催化加氢反应中的应用,其中包括烯烃、炔烃、芳硝基化合物、肉桂醛、糠醛和苯等化合物的加氢反应.首先介绍了MOF基材料中不同类型的活性位点,除了MOF材料自身的金属离子/簇和功能有机配体外,MOF基复合材料中的金属纳米颗粒?金属硫化物?金属氧化物?均相催化剂等活性位点可以通过封装或包裹的方式引入.在不同加氢反应中,着重介绍了MOF基催化剂中不同类型活性位点的加氢过程中的催化方式、催化剂本身的结构优化及催化剂与反应底物之间的相互作用,以及这些因素之间的协同作用对反应活性和选择性的影响.最后,讨论了MOF基材料在加氢反应中应用存在的问题以及未来发展展望.     

金属有机骨架材料在二氧化碳加氢中的应用

大气中二氧化碳(CO_2)浓度的急剧增加引起了人们的关注,并提出了许多将CO_2转化为高价值化学品的策略。金属有机框架材料(MOFs)由于其独特的孔隙率、大的比表面积、丰富的孔结构、多活性中心、良好的稳定性和可回收性,可用于二氧化碳的捕获和催化转化。基于晶体多孔材料的金属有机骨架(MOF)设计和合成的各种功能纳米材料可以作为多相催化剂或载体/前体来应对这些挑战。在本文中,笔者将主要关注MOFs在催化二氧化碳加氢领域的最新研究进展,包括催化加氢制备一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇和烯烃,分析了基于MOFs的催化剂的合成方法和提高催化活性的原因。介绍了提高新型MOF材料的催化活性和探索新的CO_2转化可行的策略。讨论了MOF型催化剂在CO_2化学转化中的主要挑战和机遇,对本研究领域中进一步的发展进行了简要的展望。     

Au/MOF催化剂的制备、表征及其催化三组分偶联反应

采用后合成共价修饰法和一锅法分别制备了催化剂IRMOF-3-SI-Au(PS)和IRMOF-3-SI-Au(OP),运用X射线衍射、红外光谱、热重-差热分析、透射电镜以及程序升温还原对催化剂进行了表征,探索了这两种催化剂在醛、炔和胺三组分偶联反应中的催化性能,并推测了可能的反应机理.结果表明,两种催化剂对醛、炔和胺三组分偶联反应均具有较高的催化活性,产物炔丙基胺类选择性为100%,且可循环使用;结晶度较低的IRMOF-3-SI-Au(PS)的活性高于结晶度较高的IRMOF-3-SI-Au(OP);催化剂对芳香醛和脂肪醛以及环状胺均具有较高的催化活性,且对带有吸电子基团的芳香醛的活性高于带有供电子基团的.     

基于非贵金属镍的金属有机大环的光解水放氢性能

将具有NN（氮氮）双齿配位点的席夫碱配体L2（L2=1,4-苯二-2''-吡啶腙）与镍构筑得到一例[2+2]型金属有机大环[Ni₂（L2）₂（CH₃CN）₄]（ClO₄）₄·4CH₃CN（2）,并将其用于可见光条件下的光解水产氢研究。该非贵金属光催化体系由催化剂、光敏剂（荧光素,Fl）和电子牺牲剂（三乙胺）三部分组成。相比于具有相同配位环境的单核配合物[Ni（L1）₂（CH₃CN）₂]（ClO₄）₂（1,L1=3-甲酰基苯-2''-吡啶腙）,金属有机大环2作为催化剂具有较高的光催化活性,其产氢TON值可以达到3 100 mol_H2·mol_cat^-1,归因于荧光素分子可能与金属有机大环2形成超分子配合物,提高了光致电子转移效率。     

基于非贵金属镍的金属有机大环的光解水放氢性能

将具有NN(氮氮)双齿配位点的席夫碱配体L2(L2=1,4-苯二-2′-吡啶腙)与镍构筑得到一例[2+2]型金属有机大环[Ni_2(L_2)_2(CH_3CN)_4](ClO_4)_4·4CH_3CN(2),并将其用于可见光条件下的光解水产氢研究。该非贵金属光催化体系由催化剂、光敏剂(荧光素,Fl)和电子牺牲剂(三乙胺)三部分组成。相比于具有相同配位环境的单核配合物[Ni(L_1)_2(CH_3CN)_2](ClO_4)2(1,L1=3-甲酰基苯-2′-吡啶腙),金属有机大环2作为催化剂具有较高的光催化活性,其产氢TON值可以达到3 100 molH_2·molcat-1,归因于荧光素分子可能与金属有机大环2形成超分子配合物,提高了光致电子转移效率。     

电沉积工艺对Mg-Ni储氢合金的电化学性能的影响

用电沉积的方法制备了镁 镍储氢合金,探讨了电沉积条件对合金的电化学性能的影响.XRD显示沉积层中含有非晶态Mg Ni相和微晶态Mg相.AAS分析表明沉积合金中Mg的摩尔分数达 8. 57%.合金的放电容量最高为 75. 547mA·h·g-1.     

新型金属-有机框架材料分离性能研究

采用基于1,3,5-三[4-苯甲酸]-均苯三甲酰胺配体构筑的具有一维孔道及酰胺活性基团的金属-有机框架(MOF-Sm-L)作为毛细管固定相,研究其在气相色谱中分离烷烃、醇类和取代芳香烃方面的性能。实验结果表明,烷烃、醇类及酚类异构体在这种MOF上得到了有效分离。这些有机物的分离基于毛细管内壁存在的范德华力,以及有机物内的羟基与MOF材料的活性基团酰胺之间的氢键作用力。分离芳香异构体过程为放热过程,同时受焓和熵的控制。     

泡沫镍载碳化钨催化剂上的析氢反应

结合直接化学还原法和交替微波法制备了泡沫Ni载Ni-WC催化剂,用X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对催化剂进行了表征,研究了其析氢电催化性能.结果表明,在相同条件下,泡沫Ni载Ni-WC催化剂的析氢起始电位与泡沫Ni相比降低了60 mV左右.电解质浓度和温度对泡沫Ni载Ni-WC催化剂的析氢电催化活性有很大影响.     

一种新型储氢材料——改性四氧化三铁的储氢性能研究

以金属Mo, Al, Cr, W可溶盐为添加物, 通过共沉淀法由FeCl₃和(NH₄)₂Fe(SO₄)₂•6H₂O的水溶液制备了单金属添加的Fe₃O₄改性储氢材料. 采用循环储氢性能评价方法, 研究了材料的储氢性能; 利用X射线粉末衍射、SEM扫描电镜和BET比表面积测试手段, 分析了材料储-放氢前后的微观结构. 结果表明: 添加了Mo金属的Fe₃O₄材料四次循环的放氢温度最低, 为310～314 ℃(放氢速率为300 μmol•min^－1•Fe-g^－1), 低于目前同类最好的储氢材料(50 ℃左右); 对材料的微观结构研究表明: 采用本文方法制备的金属添加的Fe₃O₄储氢材料其粒度大约在50～70 nm. 此外, 材料的催化活性主要与掺杂的金属类型和材料粒度的大小有关.     

Hydrogen in Palladium and Storage Properties of Related Nanomaterials: Size,Shape, Alloying,and Metal-Organic Framework Coating Effects

One of the key issues for an upcoming hydrogen energy-based society is to develop highly efficient hydrogen-storage materials. Among the many hydrogen-storage materials reported, transition-metal hydrides can reversibly absorb and desorb hydrogen, and have thus attracted much interest from fundamental science to applications. In particular, the Pd−H system is a simple and classical metal-hydrogen system, providing a platform suitable for a thorough understanding of ways of controlling the hydrogen-storage properties of materials. By contrast, metal nanoparticles have been recently studied for hydrogen storage because of their unique properties and the degrees of freedom which cannot be observed in bulk, i. e., the size, shape, alloying, and surface coating. In this review, we overview the effects of such degrees of freedom on the hydrogen-storage properties of Pd-related nanomaterials, based on the fundamental science of bulk Pd−H. We shall show that sufficiently understanding the nature of the interaction between hydrogen and host materials enables us to control the hydrogen-storage properties though the electronic-structure control of materials.