Citation: Keng Xuan, Yanfeng Pu, Feng Li, Jing Luo, Ning Zhao, Fukui Xiao. Metal-organic frameworks MOF-808-X as highly efficient catalysts for direct synthesis of dimethyl carbonate from CO2 and methanol[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(4): 553-566. doi: S1872-2067(19)63291-2
金属有机框架MOF-808-X高效催化CO2和甲醇直接合成碳酸二甲酯
本文针对传统金属氧化物的缺点,合成了一系列锆基金属有机框架催化剂MOF-808-X(X为ZrOCl2·8H2O/均苯三甲酸(BTC)的摩尔比),并将其用于催化CO2和甲醇合成DMC,系统考察了MOF-808-X合成过程中ZrOCl2·8H2O/BTC摩尔比对MOF-808-X催化剂组成、比表面积、孔道结构以及酸碱位点数量的影响,探讨了MOF-808-X催化剂物化性质与其催化性能之间的关系.结果表明,通过调控ZrOCl2·8H2O/BTC摩尔比,可以减少堵塞在MOF-808-X微孔中未反应的配体BTC或氧化锆原子簇的量,提高MOF-808-X的比表面积、微孔孔径以及酸碱位点数量,从而显著提升MOF-808-X催化剂的催化活性.当ZrOCl2·8H2O/BTC摩尔比=4时,MOF-808-4催化剂具有最大的比表面积、最大的微孔孔径和最多的酸碱性位点,因而表现出最高的催化活性.与我们之前报道的UiO-6-24相比,虽然MOF-808-4的比表面积和酸碱位点数更小,但由于MOF-808-4具有更大的微孔孔径(1.8 nm),其微孔内的活性位点具有更高的催化效率,MOF-808-4表现出了更高的催化活性.原位红外光谱结果表明,酸性位点活化甲醇生成甲基阳离子的过程是该反应的速率控制步骤,由于MOF-808-4中Zr6原子簇上酸碱位点相互邻近,吸附在相邻碱性位点上的中间产物羰基甲氧基可以与酸性位点上的甲基阳离子迅速反应,促进甲基阳离子和DMC的生成,从而进一步提高MOF-808-4的催化活性.此外,催化剂重复利用实验结果表明,MOF-808-X催化剂结晶度越好,催化剂重复利用性能越好.MOF-808-X催化剂在CO2和甲醇直接合成DMC反应中的成功应用可为开发用于该反应的高效非均相催化剂提供新的思路.
English
Metal-organic frameworks MOF-808-X as highly efficient catalysts for direct synthesis of dimethyl carbonate from CO2 and methanol
-
Key words:
- Metal-organic frameworks
- / MOF-808
- / Micropore size
- / Carbon dioxide utilization
- / Dimethyl carbonate
-
-
[1] G. Fiorani, A. Perosa, M. Selva, Green Chem., 2018, 20, 288-322.
-
[2] S. Huang, B. Yan, S. Wang, X. Ma, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 3079-3116.
-
[3] S. Pan, L. Zheng, R. Nie, S. Xia, P. Chen, Z. Hou, Chin. J. Catal., 2012, 33, 1772-1777.
-
[4] D. Delledonne, F. Rivetti, U. Romano, Appl. Catal. A, 2001, 221, 241-251.
-
[5] Y. Cao, H. Cheng, L. Ma, F. Liu, Z. Liu, Catal. Surv. Asia, 2012, 16, 138-147.
-
[6] M. Honda, M. Tamura, Y. Nakagawa, K. Tomishige, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 2830.
-
[7] Y. Liao, F. Li, X. Dai, N. Zhao, F. Xiao, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1860-1869.
-
[8] K. Tomishige, T. Sakaihori, Y. Ikeda, K. Fujimoto, Catal. Lett. 1999, 58, 225-229.
-
[9] K. Tomishige, Y. Ikeda, T. Sakaihori, K. Fujimoto, J. Catal., 2000, 192, 355-362.
-
[10] T. Akune, Y. Morita, S. Shirakawa, K. Katagiri, K. Inumaru, Lang-muir, 2018, 34, 23-29.
-
[11] M. Honda, M. Tamura, Y. Nakagawa, K. Nakao, K. Suzuki, K. Tomishige, J. Catal., 2014, 318, 95-107.
-
[12] S. Wang, L. Zhao, W. Wang, Y. Zhao, G. Zhang, X. Ma, J. Gong, Na-noscale, 2013, 5, 5582-5588.
-
[13] K. Tomishige, K. Kunimori, Appl. Catal. A, 2002, 237, 103-109.
-
[14] A. Li, Y. Pu, F. Li, J. Luo, N. Zhao, F. Xiao, J. CO2 Utiliz., 2017, 19, 33-39.
-
[15] Y. Pu, K. Xuan, F. Wang, A. Li, N. Zhao, F. Xiao, RSC Adv., 2018, 8, 27216-27226.
-
[16] M. Aresta, A. Dibenedetto, C. Pastore, A. Angelini, B. Aresta, I. Pápai, J. Catal., 2010, 269, 44-52.
-
[17] R. Saada, S. Kellici, T. Heil, D. Morgan, B. Saha, Appl. Catal. B, 2015, 168-169, 353-362.
-
[18] Z. Zhang, Z. Liu, J. Lu, Z.-T. Liu, Ind. Eng. Chem. Res., 2011, 50, 1981-1988.
-
[19] O. Arbeláez, A. Orrego, F. Bustamante, A. L. Villa, Catal. Lett., 2016, 146, 725-733.
-
[20] A. H. Tamboli, A. A. Chaugule, H. Kim, Chem. Eng. J., 2017, 323, 530-544.
-
[21] G. C. Shearer, S. Chavan, S. Bordiga, S. Svelle, U. Olsbye, K. P. Lillerud, Chem. Mater., 2016, 28, 3749-3761.
-
[22] S. Y. Moon, Y. Liu, J. T. Hupp, O. K. Farha, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 6795-6799.
-
[23] Y. Liu, R. C. Klet, J. T. Hupp, O. Farha, Chem. Commun., 2016, 52, 7806-7809.
-
[24] K. Xuan, Y. Pu, F. Li, A. Li, J. Luo, L. Li, F. Wang, N. Zhao, F. Xiao, J. CO2 Utiliz., 2018, 27, 272-282.
-
[25] M. Saito, T. Toyao, K. Ueda, T. Kamegawa, Y. Horiuchi, M. Mat-suoka, Dalton Trans., 2013, 42, 9444-9447.
-
[26] R. S. Mehare, S. P. Ranganath, V. Chaturvedi, M. V. Badiger, M. V. Shelke, Energy Fuels, 2018, 32, 908-915.
-
[27] C. Ardila-Suárez, S. Perez-Beltran, G. Ramírez-Caballero, P. B. Balbuena, Catal. Sci. Technol., 2018, 8, 847-857.
-
[28] Z. Q. Li, J. C. Yang, K. W. Sui, N. Yin, Mater. Lett., 2015, 160, 412-414.
-
[29] Y. Peng, H. Huang, Y. Zhang, C. Kang, S. Chen, L. Song, D. Liu, C. Zhong, Nat. Commun., 2018, 9, 187.
-
[30] G. Cai, H. Jiang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 563-567.
-
[31] L. H. Wee, F. Bonino, C. Lamberti, S. Bordiga, J. A. Martens, Green Chem., 2014, 16, 1351-1357.
-
[32] H. Furukawa, F. Gandara, Y. B. Zhang, J. Jiang, W. L. Queen, M. R. Hudson, O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 4369-4381.
-
[33] G. C. Shearer, S. Chavan, J. Ethiraj, J. G. Vitillo, S. Svelle, U. Olsbye, C. Lamberti, S. Bordiga, K. P. Lillerud, Chem. Mater., 2014, 26, 4068-4071.
-
[34] S. Hinokuma, G. Wiker, T. Suganuma, A. Bansode, D. Stoian, S. Caminero Huertas, S. Molina, A. Shafir, M. Rønning, W. van Beek, A. Urakawa, Eur. J. Inorg. Chem., 2018, 2018, 1847-1853.
-
[35] H. Ranjan Sahu, G. Ranga Rao, Bull. Mater. Sci., 2000, 23, 349-354.
-
[36] Y. Wang, L. Li, P. Dai, L. Yan, L. Cao, X. Gu, X. Zhao, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22372-22379.
-
[37] D.Y. Hong, Y. K. Hwang, C. Serre, G. Férey, J. S. Chang, Adv. Funct. Mater., 2009, 19, 1537-1552.
-
[38] K. T. Jung, A. T. Bell, J. Catal., 2001, 204, 339-347.
-
[39] F. Vermoortele, B. Bueken, G. Le Bars, B. Van de Voorde, M. Vandichel, K. Houthoofd, A. Vimont, M. Daturi, M. Waroquier, V. Van Speybroeck, C. Kirschhock, D. E. De Vos, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 11465-11468.
-
[40] R. C. Klet, Y. Liu, T. C. Wang, J. T. Hupp, O. K. Farha, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 1479-1485.
-
[41] S. Øien, D. Wragg, H. Reinsch, S. Svelle, S. Bordiga, C. Lamberti, K. P. Lillerud, Cryst. Growth Des., 2014, 14, 5370-5372.
-
[42] P. He, J. Xu, V. V. Terskikh, A. Sutrisno, H. Y. Nie, Y. Huang, J. Phy. Chem. C, 2013, 117, 16953-16960.
-
[43] P. Gao, F. Li, H. Zhan, N. Zhao, F. Xiao, W. Wei, L. Zhong, H. Wang, Y. Sun, J. Catal., 2013, 298, 51-60.
-
[44] N. D. Didier Tichit, Bernard Coq, Robert Durand, Chem. Mater., 2002, 14, 1530-1538.
-
[45] F. Bustamante, A. F. Orrego, S. Villegas, A. L. Villa, Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51, 8945-8956.
-
[46] B. Y. Yu, M. K. Chen, I. L. Chien, Ind. Eng. Chem. Res., 2018, 57, 639-652.
-
[47] V. Eta, P. Mäki-Arvela, A. R. Leino, K. Kordas, T. Salmi, D. Yu. Mur-zin, J. P. Mikkola, Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49, 9609-9617.
-
[48] Y. Ikeda, M. Asadullah, K. Fujimoto, K. Tomishige, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 10653-10658.
-
[49] H. J. Lee, S. Park, J. C. Jung, I. K. Song, Korean J. Chem. Eng., 2011, 28, 1518-1522.
-
[50] H. J. Lee, W. Joe, I. K. Song, Korean J. Chem. Eng., 2011, 29, 317-322.
-
[51] H. J. Lee, W. Joe, J. C. Jung, I. K. Song, Korean J. Chem. Eng., 2012, 29, 1019-1024.
-
[52] H. Li, X. Jiao, L. Li, N. Zhao, F. Xiao, W. Wei, Y. Sun, B. Zhang, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 989-1005.
-
[53] L. Chen, S. Wang, J. Zhou, Y. Shen, Y. Zhao, X. Ma, RSC Adv., 2014, 4, 30968-30975.
-
[54] D. Yang, V. Bernales, T. Islamoglu, O. K. Farha, J. T. Hupp, C. J. Cramer, L. Gagliardi, B. C. Gates, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15189-15196.
-
[55] D. Yang, M. A. Ortuno, V. Bernales, C. J. Cramer, L. Gagliardi, B. C. Gates, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 3751-3759.
-
[56] Y. Bai, Y. Dou, L. H. Xie, W. Rutledge, J. R. Li, H. C. Zhou, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 2327-2367.
-
[57] M. Honda, M. Tamura, Y. Nakagawa, S. Sonehara, K. Suzuki, K. Fujimoto, K. Tomishige, ChemSusChem, 2013, 6, 1341-1344.
-
[58] V. Eta, P. Mäki-Arvela, J. Wärnå, T. Salmi, J.P. Mikkola, D. Y. Murzin, Appl. Catal. A, 2011, 404, 39-46.
-
[59] A. J. Howarth, Y. Liu, P. Li, Z. Li, T. C. Wang, J. T. Hupp, O. K. Farha, Nat. Rev. Mater., 2016, 1, 15018.
-
[60] M. Lin Foo, S. Horike, T. Fukushima, Y. Hijikata, Y. Kubota, M. Takata, S. Kitagawa, Dalton Trans., 2012, 41, 13791-13794.
-
-
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 42
- 文章访问数: 3353
- HTML全文浏览量: 772

下载: