徐强教授，JMCA全文：利用MOF合成可溶性多孔碳笼封装金属纳米颗粒催化剂- 大数跨境

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徐强教授，JMCA全文：利用MOF合成可溶性多孔碳笼封装金属纳米颗粒催化剂

科学材料站

2021-06-17

导读：该文章采用金属-有机框架（MOF）化合物作为前驱体，采用二氧化硅封装热解的方法。

文章信息

可溶性多孔碳笼封装高活性金属纳米颗粒催化剂

第一作者：刘航宇

通讯作者：徐强*

单位：日本产业技术综合研究所

研究背景

金属纳米颗粒因其特殊而高效的催化能力受到广泛关注。为了使金属纳米颗粒长期保持高活性，并避免流失，通常有以下三种策略：

1)载体效应：将金属纳米颗粒锚定于具有高比表面积的载体上。可是这种方法稳定效果不佳，并且绝大多数载体是非均相介质，负载纳米颗粒以后也成为了一种非均相催化剂，影响其分散性及传质作用。

2)表面包裹：用有机物包裹金属纳米颗粒，抑制纳米颗粒团聚长大。但是这种方法影响催化剂和底物的接触，传质相对较差。

3)笼材料封装：使用可溶性多孔有机笼封装金属纳米颗粒。这种方法可以使大多数金属纳米颗粒作为可接近的活性位点，并促进传质作用，然而多孔有机笼成本较高，并且稳定性和水溶性较差。

如上所述，这三种方法还有很多需要优化的地方。各种反应体系的不一样，也导致以上策略并不能适应所有的催化体系。因此，如何能在合适的催化体系中开发高活性、高稳定性、低成本，且可溶的金属纳米颗粒催化剂，仍然存在着较大的挑战。

文章简介

基于此，来自日本产业技术综合研究所的徐强教授，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Soluble porous carbon cage-encapsulated highly active metal nanoparticle catalysts”的文章。

该文章采用金属-有机框架（MOF）化合物作为前驱体，采用二氧化硅封装热解的方法。将具有高度催化活性的金属纳米颗粒原位封装在可溶性多孔碳笼内，开发了一种高活性、高稳定性、可适用于多种溶剂体系的可溶性金属纳米颗粒催化剂。

图1. 可溶性多孔碳笼封装钌纳米颗粒作为催化剂进行双氧水分解产氧和氨硼烷水解、醇解产氢的过程。

本文要点

要点一：可溶性多孔碳笼原位封装钌纳米颗粒

常规方法所获得的多孔碳笼不具有可溶性。采用二氧化硅封装热解的方法可以制备可溶性多孔碳笼。在该方法中，首先以锌盐, 有机配体和钌纳米颗粒为原料，在室温条件下反应生成Ru@Z8纳米多面体，然后再经过可控的湿化学方法制备了Ru@Z8@SiO2核壳结构。

采用可控热解直接碳化上述材料并去除锌和二氧化硅壳层后，成功制备出原位封装了钌纳米颗粒的可溶性多孔碳笼。

SEM和HAADF-STEM表征发现，可溶性多孔碳笼的平均尺寸为50 nm，分散均匀，钌纳米颗粒被包裹在孔道内。而采用常规方法所得的多孔碳笼会出现严重的团聚，不具有可溶性。

要点二：可溶性多孔碳笼具有高可溶性的原因

在热解的过程中，二氧化硅壳层可以保护可溶性多孔碳笼，抑制可溶性多孔碳笼团聚长大，提高其可溶性。同时通过红外、XPS、XAFS等光谱分析，发现二氧化硅封装热解方法制备的可溶性多孔碳笼表面具有更多的含氧、含氮官能团，也增强了其可溶性。

要点三：优异的催化活性及稳定性

该催化剂可适用于多种溶剂体系，在双氧水分解制氧，氨硼烷水解、醇解制氢等反应中均具有较高的催化活性和稳定性，其表现远优于非均相的封装钌纳米颗粒的多孔碳笼，常规的表面负载型催化剂和有机物保护的金属纳米颗粒催化剂。

图2. 催化性能

要点四：前瞻

开发具有高活性、高稳定性、低成本、可适用于多种溶剂体系的可溶性金属纳米颗粒催化剂仍是一项挑战。

徐强教授团队首次报道了可溶性多孔碳笼的制备方法，并将其应用于原位封装金属纳米颗粒。该催化剂在多种溶剂体系中表现出优异的催化性能。该工作为制备金属纳米颗粒催化剂提供了新的视角。

文章链接

Soluble porous carbon cage-encapsulated highly active metal nanoparticle catalysts

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta01352a#!divAbstract

通讯作者介绍

徐强教授。

1994年于日本大阪大学获理学博士学位。先后任日本国立产业技术总合研究所（AIST）首席研究员， AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学兼职教授，京都大学兼职教授。2020年加盟南方科技大学材料科学与工程系任讲席教授。先后入选欧洲科学院院士，印度国家科学院院士，日本工程院院士。

徐院士主要从事化学相关的纳米多孔材料及其催化与能源应用研究。发表论文400余篇，被引用超过40000次，H因子105 (Web of Science)。2014-2020 年连续七年入选化学领域（及工程领域（四年）/材料科学领域（一年））汤森路透-科睿唯安(Thomson Reuters/Clarivate Analytics)高被引科学家称号，2012年获汤森路透社前沿科学奖（Thomson Reuters Research Front Award），2019年获洪堡研究奖（Humboldt Research Award）及市村奖地球环境学术奖(Ichimura Prize)。担任多个杂志的编辑或编委，如EnergyChem (Elsevier)主编，Coordination Chemistry Reviews (Elsevier)副主编，Chem (Cell Press)，Matter (Cell Press)，Chemistry-an Asian Journal (Wiley), Small Structures (Wiley), ChemNanoMat (Wiley), Advanced Sustainable Systems (Wiley)等顾问委员。

第一作者介绍

刘航宇博士。

于 2018年在中科院化学研究所获得博士学位，指导老师为韩布兴院士和刘会贞研究员。随后赴日本加入徐强教授课题组学习。已在 Angewandte Chemie International Edition, Science Advances, Journal of Materials Chemistry A, Green Chemistry等杂志发表文章近二十篇，目前主要从事CO2综合利用和化学储氢方面的应用研究。