华南理工大学李映伟课题组：多级孔CN@MIL材料高效催化环氧化物与CO2环加成

华南理工大学李映伟教授和沈葵教授等人以封装了离子液体的MOFs基复合物为前体，通过可控热解策略合成出具有多级孔结构MIL-101封装的氮掺杂纳米碳材料。其在90ºC、P_CO2 = 1 bar且无助催化剂条件下表现出优异的CO₂环加成性能。

CO₂不仅是主要的温室气体，还是一种储量丰富、无毒、稳定的C₁资源。将CO₂催化转化为燃料和化学品对于碳中和目标的实现具有重要意义，但高效催化剂的结构设计仍然是一个挑战。在众多CO₂转化反应中，CO₂与环氧化物反应生成环状碳酸酯是一条备受关注的原子经济路径。近年来，碳基材料由于其良好的化学稳定性、低成本、理化性质高度可调等优点，已发展成为一种新型的CO₂固定催化剂，但其活性位的欠缺和相对较弱的CO₂作用力限制了其应用。因此，发展在温和且无需助催化剂条件下高效催化CO₂环加成的碳基催化材料具有重要的研究意义。

基于此，华南理工大学李映伟教授和沈葵教授等人采用可控热解策略一步合成出多级孔MOFs 封装纳米碳材料，该策略制备的多功能MOFs基复合材料，能将MOFs和碳材料的多种性质有效地结合在一起。利用 BmimBr@MIL在惰性条件下热解，在保持 MOF 结构稳定的条件下，BmimBr分解并生成氮掺杂的纳米碳，同时可在MOF框架中产生大量介孔（图1）。研究表明，材料的形成机理是基于封装在MIL-101孔道中的BmimBr提高了MIL-101的热稳定性，并改变了BmimBr@MIL-101中MIL-101的热分解机制（图2）。值得注意的是，将其用于催化4-环氧丙烷氧基咔唑与CO₂的环加成反应时，该材料展示出非常优异的催化性能。在温和条件下(90ºC，P_CO2 = 1 bar，无助催化剂)，4-(2,3-丙二醇碳酸酯)咔唑的产率可达96%，优于大多数报道的均相/多相催化剂。CO₂吸附红外测试表明，CN@MIL对CO₂具有较强的吸附作用，并且相比于自由的CO₂分子(2349 cm^-1)，其红外吸收峰发生了明显的蓝移现象(2354 cm^-1)。该工作不仅展示了MOFs封装纳米碳材料在催化大分子环氧化物与CO₂环加成反应中的应用前景，同时也为多功能MOFs基材料的设计制备提供了参考借鉴。

图1  CN@MIL(400,0.67,30)材料的SEM、TEM、STEM、EDS元素分布图。

图2  Bmim@MIL和MIL-101的TGA-MS曲线。

详见：Chen F, Shen K, Chen L, Li Y. N-doped nanocarbon embedded in hierarchically porous metal-organic frameworks for highly efficient CO₂ fixation. Sci. China Chem., 2022, 65, https://doi.org/10.1007/s11426-022-1298-9.

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通讯作者简介

李映伟 华南理工大学教授、博士生导师。“长江学者奖励计划”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才。现任华南理工大学化学与化工学院副院长，制浆造纸工程国家重点实验室常务副主任。兼任Nat. Sci. Rev.、ACS Catal.、Chin. J. Catal. 等期刊编委。主要从事金属有机骨架材料工业催化应用基础研究。在Science, Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., ACS Cent. Sci., Adv. Mater., Sci. China Chem.等化学化工主流期刊发表SCI论文150余篇。作为第一完成人获广东省科技奖励自然科学一等奖和广东省丁颖科技奖等奖励。

沈葵 华南理工大学教授、博士生导师。国家“万人计划”青年拔尖人才，广东省“青年珠江学者”，广东省杰出青年基金获得者，广州市“珠江科技新星”。主要从事新型多孔催化材料结构设计与性能优化方面的应用基础研究。研究成果以第一或通讯作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、ACS Cent. Sci.、ACS Nano、ACS Catal.、Chem. Sci.等国际权威学术期刊上发表论文37篇，并申请中国发明专利17项、美国专利和日本专利各1项。成果曾入选“2018年中国百篇最具影响国际学术论文”和ACS Catal.建刊十周年中国被引次数最高的十篇论文之一。