三相催化過程（如加氫反應(yīng)）在化學(xué)工業(yè)中至關(guān)重要。
然而，氣體在傳統(tǒng)溶劑中的低溶解度常因傳質(zhì)效率差而限制反應(yīng)速率。
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，現(xiàn)有方法多依賴高壓、高溫或?qū)Ｓ梅磻?yīng)器設(shè)計，這些措施顯著增加了設(shè)備投資成本。
在本文中，作者設(shè)計了一種相分離金屬有機框架材料U6P@U6，其疏水UiO-66內(nèi)核可在水中保持多孔結(jié)構(gòu)，親水UiO-66外殼則確保膠體穩(wěn)定性。
在羥甲基糠醛（HMF）加氫制2,5-雙（羥甲基）呋喃的模型反應(yīng)中（以Pd/C為催化劑），U6P@U6作為永久性多孔氣體傳輸載體，能將氫氣高效從氣液界面輸送至催化劑表面。
實驗表明，僅向反應(yīng)體系添加3.7 wt%的U6P@U6，即可使HMF轉(zhuǎn)化率提升350%，這得益于H2傳質(zhì)速率的顯著加快。
該策略允許反應(yīng)中Pd/C催化劑用量增加六倍而不受傳質(zhì)限制。
機理研究顯示，傳質(zhì)增強源于H2在氣液界面處擴散進入多孔顆粒的速率比進入水相提高140倍。
圖1：(a) U6P@U6結(jié)構(gòu)示意圖。(b) U6P@U6(Hf)顆粒的高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像和能量色散X射線光譜元素分布圖（左圖）。(c) UiO-66、U6P和U6P@U6在77 K下測得的氮氣吸附-脫附等溫線。(d) UiO-66、U6P和U6P@U6在35 °C下的水吸附等溫線。(e) UiO-66、U6P和U6P@U6的水接觸角照片。
圖2：(a) U6P@U6在水中的懸浮液、(d) S-1在水中的懸浮液、(b) U6P@U6在乙醇中的懸浮液和(e) S-1在乙醇中的懸浮液在20 °C下測得的密度（黑點）。陰影區(qū)域的上界和下界分別代表孔道完全被溶劑占據(jù)或完全空置的膠體懸浮液的理論密度。 (c) U6P@U6和(f) S-1在水中的懸浮液在加入乙腈之前和之后的照片。
圖3： (a) 膠體懸浮液的估計孔隙率（藍點）以及使用10 mg鈀碳和各種多孔填料進行加氫反應(yīng)2小時后羥甲基糠醛的轉(zhuǎn)化率（20 mg羥甲基糠醛，1巴氫氣，約1 mL重水，35 °C，180轉(zhuǎn)/分鐘）。(b) 使用不同量的鈀碳和多孔填料進行加氫反應(yīng)2 h和(c) 30 min后的羥甲基糠醛轉(zhuǎn)化率。(d) 在35 °C下計算得到的氫氣在水、U6P@U6/水（3.7 wt %）和S-1/水（3.7 wt %）中的溶解度。(a-c)中的誤差條代表每個數(shù)據(jù)點至少三次獨立測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
圖4：(a) 使用不同多孔添加劑（添加量為2 vol%）進行羥甲基糠醛加氫反應(yīng)后的轉(zhuǎn)化率，與無添加劑時對照樣品達到32%轉(zhuǎn)化率的比較。(b) 這些多孔添加劑在水中的懸浮液測量密度與孔道被水填滿混合物的理論值對比圖。(c) 分子動力學(xué)模擬比較氫氣在氣-液界面溶解到S-1中和溶解到水中的速率，以及氫氣從S-1擴散到水中的速率和氫氣在水中的擴散速率。
綜上，作者提出并驗證了一種通過相分離金屬-有機框架（MOF）氣體穿梭體顯著提升三相催化反應(yīng)效率的新策略。
傳統(tǒng)氣-液-固三相反應(yīng)中，氣體在液相中的低溶解度和緩慢擴散常常成為反應(yīng)速率的瓶頸。
作者設(shè)計了一種具有疏水內(nèi)核和親水外殼的核-殼結(jié)構(gòu)MOF材料U6P@U6，其在水相中能保持永久孔隙性，作為“氣體穿梭體”在氣-液界面吸附氫氣，并通過對流將其輸送至催化劑表面，從而顯著加速氫氣的傳質(zhì)過程。
在羥甲基糠醛（HMF）氫化反應(yīng)中，僅添加3.7 wt%的U6P@U6，即可在溫和條件下實現(xiàn)350%的反應(yīng)速率提升，且可支持六倍催化劑用量而不受傳質(zhì)限制。
機理研究表明，該增強效應(yīng)主要源于氫氣在MOF顆粒中的擴散速率比在水中提高了140倍。
該策略不僅為解決三相反應(yīng)中的氣體傳質(zhì)瓶頸提供了通用思路，也為開發(fā)高效、低成本的多相催化系統(tǒng)開辟了新路徑
