CO低溫催化氧化廣泛應(yīng)用于空氣凈化器，汽車尾氣處理，燃料電池和氣體傳感器等領(lǐng)域，相關(guān)新材料研究近年來成為國內(nèi)外熱點。其中，過渡金屬氧化物（如Co3O4，MnO2，CeO2）由于含量豐富、合成工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點在低溫催化氧化領(lǐng)域展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景，但與貴金屬（如Pt，Au和Pd）相比，非貴金屬位點的催化氧化性能仍不理想，尤其是在富含水的條件下。從催化劑設(shè)計合成的角度上看，采用傳統(tǒng)方法（如固相法，溶劑熱法，共沉淀法等）制得的金屬氧化物通常具有形態(tài)不規(guī)則，粒徑大，表面積小等缺點，嚴重影響其物理化學(xué)性質(zhì)和催化活性。因此合理設(shè)計具有高活性和長期穩(wěn)定性的過渡金屬氧化物用于低溫CO催化氧化具有重要的意義。
浙江工業(yè)大學(xué)張國亮教授課題組針對這一問題采用結(jié)構(gòu)規(guī)則、特性可調(diào)的金屬有機骨架材料為模板，通過限域轉(zhuǎn)化策略設(shè)計合成了新型尖晶石納米立方體。與傳統(tǒng)報道的過渡金屬材料相比，該復(fù)合材料在低溫CO催化氧化反應(yīng)中顯示出更高的催化活性和穩(wěn)定性，工業(yè)應(yīng)用潛力巨大。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201910257）上。
與單金屬氧化物相比，雙金屬尖晶石氧化物如(CoM)3O4在幾何和電子特征上凸顯出明顯的優(yōu)勢，已被證實可廣泛應(yīng)用于催化、能量存儲、電子和傳感器等多個領(lǐng)域。雖然采用雙金屬MOFs被用作前驅(qū)體來制備金屬氧化物已有嘗試，但由于不同金屬離子與有機配體間的化學(xué)配位行為存在顯著差異，使得對于不同金屬位點的組成和結(jié)構(gòu)的控制變得很難。為了克服這些問題，該研究團隊通過交換配位-熱解法完成了將有機金屬化合物（C4H6CoO4）封裝的FeBTC轉(zhuǎn)化為尖晶石CoFe2O4/C納米立方體。與無機Co2+負載MOFs不同，有機金屬化合物客體分子和MOFs主體間的限域強相互作用實現(xiàn)了復(fù)合材料的晶相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和組成的重構(gòu)，從而衍生出具有高活性、高穩(wěn)定性的雙金屬復(fù)合界面。基于規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)、高比表面積以及獨特的化學(xué)特性，所制備的CoFe2O4/C納米立方體表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性（105°C下100％CO氧化，表觀活化能為27 kJ mol?1）和耐水穩(wěn)定性（145°C下100％轉(zhuǎn)化達到20 h）。在90°C條件下，CoFe2O4/C催化劑的轉(zhuǎn)化效率（TOFs）達到了4.26×10?4 s?1，比商業(yè)化的Co3O4高出兩個數(shù)量級。這種限域轉(zhuǎn)化策略相信可以擴展到其它各種構(gòu)型和組成的雙金屬尖晶石氧化物的制備，從而實現(xiàn)該系列材料的精準設(shè)計和在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
