催化学报 ›› 2026, Vol. 89: 353-366.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65094-2

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缺陷耐受的二维镧系金属有机框架中有机位点主导催化的CO2增值及密度泛函计算

费杨a, 雷青娟a, 范黎明a, 胡拖平a, 覃其品b, 张修堂a,*()   

  1. a中北大学化学与化工学院, 山西太原 030051
    b玉林师范学院化学与食品科学学院,广西农业资源化学与生物技术重点实验室,广西玉林 537000
  • 收稿日期:2025-12-12 接受日期:2026-01-30 出版日期:2026-10-18 发布日期:2026-09-01
  • 通讯作者: *电子信箱: xiutangzhang@163.com (张修堂).
  • 基金资助:
    广西自然科学基金(2025GXNSFAA069961);广西八桂青年拔尖人才项目(2024ZKBGQB01);国家自然科学基金(21101097)

Organic-site-dominated cooperative catalysis in defect-tolerant 2D lanthanide MOFs for direct CO2 valorization and DFT calculations

Yang Feia, Qingjuan Leia, Liming Fana, Tuoping Hua, Qi-Pin Qinb, Xiutang Zhanga,*()   

  1. aSchool of Chemistry and Chemical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China
    bGuangxi Key Laboratory of Agricultural Resources Chemistry and Biotechnology, College of Chemistry and Food Science, Yulin Normal University, Yulin 537000, Guangxi, China
  • Received:2025-12-12 Accepted:2026-01-30 Online:2026-10-18 Published:2026-09-01
  • Contact: *E-mail:xiutangzhang@163.com(X. Zhang).

摘要:

二氧化碳(CO2)的高效转化是实现碳资源化利用和缓解温室气体排放的重要途径之一. 其中, CO2与环氧化物的环加成反应可一步高效制备高附加值的环碳酸酯, 该反应具有100%的原子经济性、无副产物生成等显著优势, 是当前CO2转化领域的研究热点. 然而, 现有催化体系多依赖金属中心作为主要活性位点, 在潮湿或复杂气氛中, 金属中心易发生水合失活, 导致催化活性大幅下降、循环稳定性不足, 严重限制了其在工业烟道气直接转化场景中的应用. 因此, 开发在模拟烟道气条件下仍保持高活性与稳定性的多位点协同催化材料具有重要意义.

本研究针对现有催化剂依赖金属中心的不足, 通过维度降低与配体功能化策略, 选用氨基功能化的四酸配体(NH2-H4PPDC)与金属铥, 采用溶剂热法成功构筑了一种缺陷耐受型二维铥基有机框架材料(NUC-151). 通过热活化处理得到的活化形式NUC-151a, 形成了规整的面内纳米孔道, 其孔径尺寸为14.9 × 10.7 Å2, 该二维孔道结构能为反应物提供高效的传质通道. 孔道内密集排布着路易斯酸性的Tm3+中心、路易斯碱性的氨基/吡啶基团以及氢键给体羧基, 三者共同构建了一个高度集成、功能互补的“酸-碱-氢键”协同催化微环境. 在温和条件(80 ºC、1 MPa CO2)及四丁基溴化铵(n-Bu4NBr)助催化下, 该催化体系对环氧丙烷、环氧氯丙烷等多种环氧化物均表现出优良的催化活性与广泛的底物兼容性. 尤为重要的是即便在模拟干燥(15% CO2/85% N2)及潮湿烟道气氛中, 该催化体系仍能维持> 90%和> 84%的转化率, 展现出卓越的实际应用潜力. 为深入理解多位点催化机制, 采用密度泛函理论(DFT)系统研究了TmO6, -NH2和-COOH三种代表性位点的催化路径. 结果表明, CO2插入步骤为三者共同的速率控制步骤, 其活化能垒顺序为-NH2 (12.3 kcal mol‒1) < TmO6 (13.6 kcal mol‒1) < -COOH (19.8 kcal mol‒1), 定量揭示了氨基位点通过其双功能特性(路易斯碱性与氢键给体能力)在稳定过渡态、降低反应能垒方面的主导作用. 这种“有机位点主导”的协同机制, 使得材料在金属中心可能发生部分水合的情况下, 仍能通过保留完整活性的有机官能团维持高催化性能, 显示出面向烟道气转化的优势. 循环实验及多种表征表明, NUC-151a在连续使用多次后仍保持结构和催化性能稳定, 进一步验证了其工业应用潜力.

综上, 本工作不仅开发了一类在模拟烟道气条件下性能稳定的金属有机框架(MOF)催化剂, 更重要的是通过实验与理论的结合, 阐明了一种“有机位点主导、多官能团协同”的新型催化机制, 突破了传统MOF催化对金属中心的单一依赖. 该研究为设计面向真实工业烟气直接转化、兼具高活性、耐湿性与结构稳定性的下一代催化材料提供了清晰的机理解读和可行的设计范式.

关键词: 酸碱氢键协同作用, 有机位点主导的催化作用, 缺陷耐受型金属有机框架, 烟气二氧化碳固定, 密度泛函理论研究

Abstract:

The catalytic valorization of CO2 into value-added chemicals remains a grand challenge in sustainable catalysis. Here we report a defect-tolerant two-dimensional thulium-organic framework, {[Tm(NH2-HPPDC)(DMF)2]·2DMF·2H2O}n (NUC-151), constructed through a dimensionality-reduction and ligand-functionalization strategy. Upon activation, NUC-151a develops well-ordered in-plane nanopores (14.9 × 10.7 Å2) densely populated with Lewis-acidic Tm3+ centers, Lewis-basic amino/pyridyl moieties, and hydrogen-bond-donating carboxyl groups. The synergistic interplay among these multifunctional sites establishes an acid-base-hydrogen-bond cooperative environment that efficiently catalyzes CO2-epoxide cycloaddition under mild, co-catalyst-assisted conditions, affording nearly quantitative yields even under simulated dry and humid flue-gas atmospheres. Density functional theory analyses identify CO2 insertion as the universal rate-determining step, with activation barriers following the trend -NH2 < TmO6 < -COOH, thereby elucidating a hierarchy of Lewis-acid activation, base-assisted charge stabilization, and hydrogen-bond facilitation. The defect-tolerant 2D architecture sustains high activity and recyclability by preserving accessible organic active sites even upon partial hydration of metal centers. This study unveils an organic-site-dominated cooperative mechanism for CO2 fixation and provides a general design principle for moisture-resilient, multifunctional MOFs operating directly under flue-gas conditions.

Key words: Acid-base-hydrogen-bond synergy, Organic-site-dominated catalysis, Defect-tolerant metal-organic frameworks, Flue-gas CO2 fixation, Density functional theory mechanism