[发明专利]可变形金属有机骨架纳米片催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及一种可变形金属有机骨架纳米片催化剂及其制备方法、应用。一种可变形金属有机骨架纳米片催化剂，为多个纳米片相互交叉形成的薄膜；其中，所述纳米片由金属有机骨架化合物构成，所述纳米片上负载有具有催化活性的纳米粒子；所述金属有机骨架化合物的金属中心为Cu²⁺，配体为对苯二甲酸根，2,6‑萘二甲酸根，4,4’‑联苯二甲酸根，三联苯二羧酸根中的至少一种。本发明通过将纳米粒子引入到金属有机框架的多孔结构中为核，形成薄膜材料，并且薄膜的结构单元为纳米片，利用由此而来的多孔和可变形特点解决了异相催化剂因“无滑移边界条件”造成催化效率低的问题。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别涉及可变形金属有机骨架纳米片催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

异相催化作为一种效率高、成本低、可持续的工业路径，已经得到广泛的研究。在异相催化体系里面存在三个过程，即反应物吸附、反应转化、产物脱离(Chem.Soc.Rev.2017,46,126-157)。催化剂表面临近区域内的传质对于整个异相催化的效率起着非常大的影响作用。根据“无滑移边界条件”，在催化剂表面存在着流体的运动速率从远到近线性递减至零的规律(Nature 1997,389,360-362)。而正是这个边界层的存在，使得化学反应在这个区域内只能依赖于慢速的分子扩散，严重地抑制了整个催化效率的提高。

近年来，科学研究发现海底的珊瑚可以通过细长柔软的鞭毛摆动，进而加快氧气和养分的运输速率(Proc.Natl.Acad.Sci.USA 2006,103,8315-8319)。此类研究预示了一个非常重要的信息，即固体材料表面存在的持续形变可产生涡流和扰动，并由此破坏原有边界层，加快物质的运输速率。制作柔性材料的一种便易策略就是将块体材料打薄至纳米级别，比如纳米片材料的杨氏模量和硬度均小于块体材料的。金属有机骨架材料(MOFs)作为一种大比表面、孔径可调、位点多的催化剂，受到科学家和研究者们的广泛关注，已被应用于异相催化体系中(J.Am.Chem.Soc.2015,137,15066-15069.Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,2615–2619)。因此，研究一种可变形的MOFs复合催化剂具有重要意义。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种可变形金属有机骨架纳米片催化剂，该催化剂的基本结构单元是纳米片，由于MOFs构成的纳米片既具有多孔特点，比表面积大，又具有纳米片的可变形特点，可以通过自身形变产生的扰动提高催化效率，用于异相催化领域具有广阔的应用前景。

本发明的第二目的在于提供上述可变形金属有机骨架纳米片催化剂的制备方法，该方法具有流程简单、反应条件温和、成本低等优点。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种可变形金属有机骨架纳米片催化剂，为多个纳米片相互交叉形成的薄膜；

其中，所述纳米片由金属有机骨架化合物构成，所述纳米片上负载有具有催化活性的纳米粒子；

所述金属有机骨架化合物的金属中心为Cu²⁺，配体为对苯二甲酸根，2,6-萘二甲酸根，4,4’-联苯二甲酸根，三联苯二羧酸根中的至少一种。

以上催化剂由于其化学组成和微观结构的特殊性，因此呈现以下特点：

1、金属有机骨架化合物(MOFs)构成纳米片，使纳米片本身具有多孔结构，比表面积大，该纳米片交叉而成的薄膜也必然具有较大的比表面积，为多孔结构，这有利于反应物在其内部的快速传质；

2、纳米片由于其“片状”的结构，因而具有较低的杨氏模量和硬度，从而具有可变形特点，其在溶液中的变形产生的扰动有利于分子快速扩散，提高催化效率；