金属—有机骨架材料Lewis酸性的计算表征研究

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金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一种类似于沸石的纳米多孔材料。这类材料具有较高的比表面积和孔隙率、可调控的孔道形状和尺寸、较高的热稳定性等特点,在吸附分离、催化反应、生物医药等领域具有非常广阔的应用前景。Cu-BTC作为最具代表意义的MOF材料之一,具有不饱和配位金属,有良好的Lewis酸催化性能。由于该材料具有较高的比表面积,有利于过渡金属高分散性负载,有望成为良好的工业催化材料。溶剂环境可能对MOF材料的几何结构和催化性能产生较大影响,因此研究溶剂效应对于MOF材料的影响具有重要的指导意义。本文以Cu-BTC和MOP-15材料作为研究对象,采用量子化学计算方法,主要对以下内容进行研究:(1)通过对金属小团簇Pdn(n=2,3,4)的几何优化,讨论找到不同金属原子个数最稳定的构型,再研究各稳定构型中Pd原子的Lewis酸性强弱。结果表明,高度对称的结构是金属团簇最稳定的构型,原子个数较少团簇中的金属原子具有更强Lewis酸性。因此在负载金属时,提高金属在MOF材料中的分散度,可以有效地提高材料的催化性能。(2)采用DFT与COSMO溶剂模型相结合的方法,考查溶剂效应对材料几何结构与电子稳定性的影响,并研究溶剂对材料Lewis酸性的影响。结果表明,材料的几何结构不受溶剂环境的影响,但可以使Cu-BTC的电子从不饱和配位Cu转移到有机配体,从而使材料不饱和配位处具有更强的Lewis酸性。具有电负性较大有机配体的MOF材料受溶剂效应的影响更明显。(3)采用DFT方法优化计算了不同过渡金属原子在MOF材料上负载的位置以及对材料Lewis酸性的影响。结果表明,负载金属可以增加材料Lewis酸性位,但材料原有Lewis酸性位的强度下降。负载Au原子的Cu-BTC具有最强的Lewis酸强度。
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