近日,中國(guó)石油大學(xué)(華東)、齊魯工業(yè)大學(xué)和上海科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種富含硼氧活性位點(diǎn)的熱穩(wěn)定層柱狀框架類材料(MBON-2),該催化材料可用于丙烷氧化脫氫制烯烴(ODHP)反應(yīng),丙烷轉(zhuǎn)化率為14.4%,烯烴選擇性達(dá)到87.0%(其中丙烯76.4%、乙烯10.6%)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《物質(zhì)》雜志。

ODHP反應(yīng)被認(rèn)為是一種快速提升丙烯產(chǎn)能的生產(chǎn)工藝,但苛刻的反應(yīng)條件限制了框架類材料在ODHP中的應(yīng)用。因此,發(fā)展新型熱穩(wěn)定框架類材料,并借助網(wǎng)絡(luò)化學(xué)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)闡明ODHP的催化機(jī)理極具挑戰(zhàn)性。

該研究團(tuán)隊(duì)制備了MBON-2材料,這是一種層柱狀結(jié)構(gòu),每一層ZnBO具有與石墨烯相似的六元環(huán)結(jié)構(gòu),有機(jī)配體咪唑像支撐柱一樣沿c軸向通過(guò)Zn-N配位將層狀ZnBO鏈接成一種三維網(wǎng)絡(luò)框架,ZnBO是一種良好的阻燃材料,可以抑制有機(jī)配體在含氧氣氛下的快速分解。熱重分析結(jié)果表明,MBON-2具有高溫抗氧化性,在含氧氣氛、560 ℃條件下可以保持性能穩(wěn)定。

MBON-2具有三維花狀多級(jí)結(jié)構(gòu),有利于反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì)作用。表征結(jié)果確認(rèn)MBON-2中的ZnBO層具有類石墨烯六元環(huán)結(jié)構(gòu),而ZnBO層邊緣位富含大量具有催化ODHP反應(yīng)能力的硼氧位點(diǎn)。用于ODHP反應(yīng)時(shí),反應(yīng)活性略高于目前性能最優(yōu)的六方氮化硼納米片。

密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明,在不生成層間硼氧低聚物和硼氧環(huán)的情況下,單層類石墨烯ZnBO上的一對(duì)鄰近硼氧位點(diǎn)可以依次活化并奪取丙烷分子上的氫原子進(jìn)而生成丙烯分子。

該研究可為構(gòu)筑熱穩(wěn)定框架類材料提供借鑒。