献给化院百年华诞:《Angew. Chem.》报道介观催化丁维平团队在二维超薄分子筛领域取得重要进展

发布时间:2020-01-03浏览次数:10

  微孔分子筛对与其孔径尺寸相当的分子在其内部的运动有强烈的约束与活化作用,将其应用于催化反应的研究长盛不衰。二维超薄形貌微孔分子筛,特别是分立的二维超薄片,具有反应分子可以快速到达其孔道内部,以及大数量的孔道外部开口而可能产生一种新型的孔口催化作用的两大特点,是一种十分吸引人的新催化材料。

  遗憾的是,在晶体结构上容易生长为薄片的分子筛材料种类十分有限,比如,近年来在甲醇制烯烃反应中获得广泛用途的SAPO-34分子筛,是非层状的CHA结构,将其控制合成为二维超薄结构极为困难,常见的无机纳米晶吸附限制生长的方法也难适用于此类材料。近日,南京大学的丁维平教授团队发展了一种控制合成二维超薄分子筛的新方法,获得了一种二维超薄SAPO-34分子筛材料,并同时在其孔道中引入了一定量的CuO团簇。合成过程见示意于图1。

图1. 二维超薄CuO@SAPO-34分子筛材料的合成过程示意图:a)层状磷酸铝纳米卷;b) 硝酸铜与正硅酸乙酯作用下展开的磷酸铝纳米卷;c) 模板剂作用下水热晶化获得目标产物

  这种二维超薄CuO@SAPO-34分子筛新材料的厚度约为7纳米,在其厚度方向仅能容纳5个分子筛笼,是目前见于报道的最薄的分子筛材料之一。其中的CuO以约0.7纳米的团簇形式定位于分子筛的笼中,可增加薄片分子筛的稳定性,同时,由于其形貌特点,CuO团簇主要位于表层或次表层笼中,靠近材料的外表面,这使得即使不能进入分子筛孔内的分子也有很大的机会通过孔口而接触到CuO团簇,可能产生独特的催化作用。

  己二酸是生产尼龙的主要原料,目前的全球年产能以千万吨级计。超过95%由两步法生产,即第一步用氧气或空气将环己烷氧化为环己酮+环己醇,即所谓的KA油,第二步用硝酸将KA油氧化为己二酸。该法不仅周期长,设备要求高,而且会产生大量的废水废气,如NOx。发展利用分子氧一步催化氧化环己烷到己二酸的催化路线是该领域期盼已久的重要课题,迄今无成功的路线发布。

  本研究结果表明,二维超薄CuO@SAPO-34分子筛新材料,能够以一锅煮的方式催化氧气氧化环己烷制取己二酸,且性能突出:环己烷转化率大于42%,己二酸选择性大于74%。该性能被归结为独特的孔口催化作用机理,位于孔口内的CuO团簇能够催化环己酮的进一步氧化,而形状非常相似的环己醇却不能发生进一步的氧化作用,如图2所示。该结果引证南京大学该研究团队以仿酶催化为宗旨进行介观催化研究的空间极为广阔。

图2. 二维超薄CuO@SAPO-34分子筛新材料一锅煮催化氧气氧化环己烷制取己二酸的过程示意图。

  相关研究获得中国国家自然科学基金资助,以“Morphology Reserved Synthesis of Discrete Nanosheets of CuO@SAPO-34 and Pore Mouth Catalysis for One-pot Oxidation of Cyclohexane”为题,于2019年12月9日在《Angew. Chem.》在线发表(DOI: 10.1002/anie.201911749,文章链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911749

  论文第一作者是南京大学副研究员郭向可博士,通讯作者为南京大学丁维平教授、新加坡材料研究所林明博士以及南京大学郭学锋教授。基于此研究,该团队已经提交了五件中国发明专利申请。