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心多孔胶囊内:解决均相/多相将可溶性活性物种封装在结晶的空催化剂整合中的难题

Science China Press

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IMAGE: Schematic showing the fabrication of yolk (soluble)-shell (crystalline) MOF capsules for size-selective and one-pot cascade catalysis. view more 

Credit: Science China Press

均相和多相催化剂均已被广泛地应用于诸多领域,但它们在催化中各有优缺点。将均相催化剂限域到多孔载体内来实现均相催化剂的多相化是目前广为接受的一种整合二者优势以扬长避短的方法。但多孔载体对均相客体的限域作用改变了均相催化剂的微环境,进而影响了其本征活性的维持。客体物种也会占据/堵塞多孔载体的孔道,从而带来传质障碍。故一直以来,这种复合材料主/客体的功能整合通常是以牺牲一定的各自优势以达到整合的目的。 近期,中国科学技术大学江海龙研究团队在解决均相/多相催化剂整合所面临的窘境方面取得了重要进展,并在《国家科学评论》 (National Science Review, NSR)上发表研究论文“Encapsulating Soluble Active Species into Hollow Crystalline Porous Capsules beyond Integration of Homogeneous and Heterogeneous Catalysis”。

作者认为将均相催化剂封装在具有晶态多孔壳层的中空材料内是明智之选。大的空腔可模拟均相反应环境来维持可溶性活性客体的本征活性。结晶的微孔壳层则可实现选择性的传质功能。尽管已有大量中空材料被报道,但它们大多是用来封装金属纳米颗粒等大尺寸物种。其壳层中无序的孔结构、不同程度的结构缺陷或大量的颗粒间隙等问题导致其难以实现分子级催化剂的多相化。因此,如何将可溶的分子活性物种选择性地封装在中空的空腔中且形成致密又高度有序的多孔壳层一直是悬而未决的问题。

鉴于此,作者利用具有中空结构和大孔道窗口的层状双羟基氧化物(LDHs)材料预先吸附可溶性活性分子到其空腔中,然后再生长致密的金属有机框架材料(MOF)为壳层来“封锁”中空模板原有的开放通道。基于此模板辅助的策略,作者成功实现了将分子级别的可溶性活

性物种封装在仅以有序的MOF孔道作为唯一的传输通道的中空多孔胶囊晶体中。

作者通过不同尺寸分子的释放实验证实了这一晶体胶囊具有尺寸选择性的渗透功能,通过一系列催化对照实验证明了此复合材料完美地维持了主/客体的各自优势,通过尺寸选择性及一锅多步串联等反应验证了此类材料的主客体协同效应。

这一材料合成理念为解决主/客体之间性能妥协的问题,从而实现均相/多相催化剂各自优势的完全理性整合提供了新的思路。

文章信息:

Guorui Cai, Meili Ding, Qianye Wu, Hai-Long Jiang

Encapsulating Soluble Active Species into Hollow Crystalline Porous Capsules beyond Integration of Homogeneous and Heterogeneous Catalysis

Natl Sci Rev (October 2019)

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz147

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