催化剂通常是固体材料，其表面与气体或液体接触，从而能够进行某些化学反应。然而，这意味着任何不在表面上的催化剂原子都没有真正的用途。因此，重要的是生产每克催化剂材料具有尽可能大的表面积的极其多孔的材料。
TU Wien(维也纳)的科学家与其他研究小组一起，现已开发出一种新方法，可以生产具有纳米级孔隙率的高活性海绵状结构。决定性的突破是通过两步过程实现的：使用金属有机框架 (MOF)，其中已经包含许多小孔。然后，创建了一种不同类型的孔——这些人造孔充当分子的高速路径。这使得打破以前将水分解成氢和氧的活动记录成为可能。该结果现已发表在《自然通讯》杂志上。
纳米级海绵
“金属有机框架是一类令人兴奋的多功能材料，”该研究的第一作者 Shaghayegh Naghdi 说。“它们由微小的金属氧簇组成，这些金属氧簇与小有机分子连接成高度多孔的混合网络。我们在外面看到一种固体材料，然而，在纳米尺度上，它有很多开放空间，提供已知最大的比表面积高达 7000 m 2每克。”
这些特性证明 MOF 可用于气体分离和储存、水净化和药物输送。此外，具有不同化学、电子和光学性质的分子化合物在原子尺度上的接近性使它们也成为光催化和电催化的有希望的候选者。
“到目前为止，最大的问题是内在孔隙的直径太小，无法进行有效的催化周转，”Dominik Eder 教授说。“我们谈论的是直径为 0.5 至 1 nm 的非常长且极小的孔，这大约是许多小分子的大小。反应物分子需要一些时间才能到达 MOF 内的活性位点，这会减慢催化反应很大。”
为了克服这一限制，该小组开发了一种利用 MOF 结构灵活性的方法。“我们结合了两个结构相似但化学上不同的有机接头来创建混合配体框架，”Alexey Cherevan 博士解释说。
“由于两种配体的热稳定性不同，我们能够通过称为热解的过程以非常选择性的方式去除其中一种配体，”Shaghayegh Naghdi 说。这样，可以添加直径高达 10 纳米的其他类型的孔。材料的原始纳米孔由相互连接的“断裂型”孔补充，可以作为分子通过材料的高速连接。
反应性的六倍
IMC 的小组与来自维也纳大学和以色列理工学院的同事合作，使用了大量尖端的实验和理论技术来全面表征新材料，这些新材料还进行了光催化 H 2演化测试。断裂型孔的引入可以将催化活性提高六倍，这使这些 MOF 成为目前用于制氢的最佳光催化剂之一。
预计在液相应用中引入较大孔的最大好处，特别是涉及吸附、储存和转化或更大的分子，例如在药物输送和废水处理领域。
这种新工艺还为光/电催化应用提供了额外的好处：“配体的选择性去除引入了不饱和金属位点，这些位点可以作为额外的催化反应中心或吸附位点。我们预计这些位点会影响反应机理，从而影响产物选择性更复杂的催化过程，”Eder 教授解释说。该团队目前正在使用 MOF 测试这一假设，以将 CO 2光催化转化为可持续燃料和商品化学品。化学工业也对这些催化剂感兴趣，以帮助在低温和环境条件下用更绿色的光催化过程替代能源需求的热催化过程。
这种新方法用途广泛，可应用于各种 MOF 结构和应用。“由于我们目前知道大约 99.000 种合成 MOF 和 MOF 型结构，”Shaghayegh Naghdi 说，“实际上未来还有很多工作在等着我们。”
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