化学化工学院研究团队在氧化还原活性金属有机框架材料合成以及类酶催化研究中取得新进展

发布时间:2021-08-30浏览次数:10

最近,化学化工学院左景林教授、丁梦宁教授、马晶教授等合作,成功制备了含类酶活性中心金属二硫烯构筑基元的新型金属有机框架材料,并对其电催化CO2还原性能开展了研究。

近年来,由于化石燃料的广泛使用,全球CO2排放量逐渐增加,这是全球气候变暖的主要原因。将CO2转化成能源物质或者是其它化学品,是目前解决这一问题的主要策略之一。其中,电催化CO2还原反应(CO2RR)是将CO2转化成可利用能源物质的有效途径。优异的CO2RR催化剂一般具有以下特征:具有活性催化位点,高选择性,高效电子转移速率等。金属有机框架材料(MOFs)具有可调节的孔径尺寸和功能化的金属位点,赋予其良好的CO2气体吸附能力和高效的催化中心,成为电催化CO2还原反应的理想催化材料。

化学化工学院相关团队在前期新型电荷转移金属配合物研究中取得了一系列重要进展,如利用四硫富瓦烯四苯羧酸配体(H4TTFTB,图1)与In3+成功合成了稳定性高、氧化还原活性的金属有机框架材料(Nat. Commun., 2017, 8, 2008; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 18763)。最近,他们将相关研究拓展到具有类酶活性中心的金属二硫烯构筑基元上。金属镍二硫烯四苯羧酸配体([Ni(C2S2(C6H4COOH)2)2])与四硫富瓦烯四苯羧酸(H4TTFTB)结构和性能相似(图1),引入的金属Ni离子取代C=C单元后具有不饱和配位点和新的氧化还原活性金属中心,从而可能赋予材料更加丰富的物理、化学功能。例如,过渡金属Mn配位多孔材料具有良好的电化学葡萄糖识别性能J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 20313 

1 [Ni(C2S2(C6H4COOH)2)2]H4TTFTB的结构图

基于以上研究基础,他们进一步采用氧化还原活性镍的二硫烯配体[Ni(C2S2(C6H4COOH)2)2]与金属铟离子反应,制备了具有阴离子骨架的新型MOF结构(图2(Me2NH2+){InIII-[Ni(C2S2(C6H4COO)2)2]}·3DMF·1.5H2O (1)

 

2 MOF 1的结构中含有三种不同的孔道,分别为I(被客体分子占据)、IIIII

这类材料具有良好的化学稳定性、热稳定性和导电性,为进一步电催化应用打下了良好的基础。此外,MOFs材料保留了[Ni(C2S2(C6H4COOH)2)2]基元可逆的氧化还原活性以及不饱和配位点等优势,其[NiS4]位点可以有效模拟甲酸脱氢酶和CO-脱氢酶中的二氧化碳还原中心。我们选取同构的MOFs材料1(Me2NH2+)[InIII-(TTFTB)]·0.7C2H5OH·DMF (2),对它们电化学CO2RR性能进行研究。在研究中,他们发现MOF 1作为CO2RR催化剂不仅能选择性地将CO2还原为甲酸且大幅提高法拉第效率(FEHCOO-MOF 254.7%提高至89.2%),同时还具有较宽的电压窗口和长时间稳定性。进一步催化机理研究和密度泛函理论计算结果表明,[Ni(C2S2(C6H4COOH)2)2]基元中的不饱和金属配位点[NiS4],能够作为CO2的结合位点和催化位点,赋予1更高的电荷转移速率、更大的电化学活性面积以及更高的催化活性。这充分说明,镍的二硫烯配体中[NiS4]金属不饱和配位点的引入,可以通过类酶途径有效调控该类材料的电催化活性,为以后设计合成高效稳定的类酶电催化剂提供了新的思路。

3 MOFs 12电催化CO2还原性能比较

相关成果以In(III) MetalOrganic Framework Incorporated with Enzyme- Mimicking Nickel Bis(dithiolene) Ligand for Highly Selective CO2 Electroreduction为题,2021827日在J. Am. Chem. Soc.上在线发表(DOI: 10.1021/jacs.1c06797)。周艳博士和博士生刘盛堂为该论文共同第一作者,博士生顾玉明和温哥华分别在理论计算以及气体吸附测试实验中提供了大力帮助以上研究工作得到了配位化学国家重点实验室、介观化学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持或资助。