如何将活性物种负载到微孔材料的孔道内部

将过渡金属团簇、单原子等活性物种负载到微孔材料（如沸石、金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）等）的孔道内部，是催化剂设计和合成中的重要课题。这种负载方式能够有效提升催化剂的活性和选择性。

1.浸渍法： 将金属前驱体溶液浸渍于微孔材料中，经过后续的还原或热处理，形成金属团簇或单原子。然而，金属颗粒可能会聚集，导致催化剂活性下降。 

例如：浸渍法制备超薄分子筛纳米片负载亚纳米金属团簇催化剂

2.共沉淀法： 在合成过程中，将金属前驱体与微孔材料的前驱体共同沉淀，形成复合材料。这种方法有助于金属物种的均匀分布，但需要精确控制沉淀条件，以防止金属团簇的聚集。

3.后配位法： 在微孔材料合成后，通过引入含金属的配体与材料中的配位位点发生配位反应，形成金属-配体复合物。这种方法可以精确控制金属物种的配位环境，提升催化性能。

例如：COF负载单原子镍实现全谱光催化析氢

Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217527; Angew. Chem. 2023, 135, e202217527. https://doi.org/10.1002/anie.202217527

困难和瓶颈：

1.金属分散性差： 在微孔材料中，金属物种容易聚集，形成较大的颗粒，降低催化剂的活性和选择性。例如，使用浸渍法时，金属颗粒可能会聚集，导致催化剂活性下降。

2.孔道限制： 微孔材料的孔道尺寸有限，可能无法容纳较大的金属团簇或颗粒，限制了负载量和催化剂的性能。此外，孔道的尺寸和形状可能影响金属物种的分布和稳定性。

3.合成条件控制： 在合成过程中，需要精确控制温度、pH值、溶剂等条件，以防止金属物种的聚集或脱落。例如，在溶剂热条件下，COF的紧密堆积结构被解开，有利于金属离子与配体的配位，但需要严格控制反应条件。

4.稳定性问题： 金属物种在微孔材料中的稳定性可能受到热、酸碱环境等因素的影响，导致催化剂失活。例如，金属团簇可能在高温下发生烧结，导致催化剂活性下降。

解决策略：

1.表面改性： 通过引入功能性配体或官能团，增强金属物种与微孔材料的相互作用，提升金属的分散性和稳定性。

2.精确合成： 优化合成条件，控制金属物种的尺寸和分布，避免聚集。例如，通过溶剂热法解锁COF的紧密堆积结构，使金属离子能够与配体高效配位。

3.协同效应利用： 设计具有协同作用的金属物种或金属与载体之间的相互作用，提升催化性能。例如，双金属团簇与沸石中Brønsted酸性位点的协同作用，可以显著活化水分子，提高氨硼烷水解产氢速率。

更多实例：

1.金属负载 MOFs 光催化剂的研究进展：从单原子、团簇到纳米颗粒

Chinese Chemical Letters, 2025, 110142, 1001-8417,  https://doi.org/10.1016/j.cclet.2024.110142.

2.将原子级精确的纳米团簇限制在金属有机框架中以实现先进催化

Coordination Chemistry Reviews, 2023, 215364, 0010-8545, https://doi.org/10.1016/j.ccr.2023.215364.

3.MOF材料的单原子/双原子和团簇金属催化剂在能源领域中的研究进展

Energy Environ. Sci., 2020, DOI: 10.1039/C9EE04040D

4.通过空间隔离从沸石咪唑骨架生成纳米颗粒、原子团簇和单原子钴催化剂

Angewandte Chemie. https://doi.org/10.1002/ange.201901109

5.MOF复合材料中TiO2填充量和位置的控制

Nature 586, 549–554 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2738-2

本文源自微信公众号：材料er

原文标题：《如何将活性物种负载到微孔材料的孔道内部》

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