Adv.Funct.Mater：CoFe2O4納米晶介導的磁功能ZSM-5催化劑的晶化策略

【引言】

沸石是一種微孔結晶硅鋁酸鹽，在石化和化工行業的吸附，分離和催化領域得到了廣泛的應用，沸石的功能化也拓展了其應用范圍。其中，一種主體相的結晶與其他客體物質（如離子配合物，納米晶體）的結合已被認為是一種廣泛的方法，以實現具有可調整結構和性能的多功能材料。然而，將功能性納米晶體引入沸石骨架仍然是一個重大挑戰。針對主體沸石基質的功能化，將各種客體物質添加到沸石前體中，其中沸石晶體的核化和生長與客體物質一起共存。離子配合物通常被捕獲到沸石骨架的通道中，這可能導致對于涉及本體反應物的應用的不良傳質。此外，客體組成對沸石結晶行為的影響尚不清楚，將客體物質（如離子或納米晶體）直接添加到沸石的均相前體中通常會導致納米晶體大而不均勻，分散性差和弱的功能特性。因此，探索新的策略來控制沸石結晶并賦予其功能性對于實現納米復合材料的多樣性和復雜性是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，復旦大學趙東元教授組，南洋理工大學陳曉東教授組及新加坡高性能計算研究所Shuo-Wang Yang（共同通訊作者）等人在近期的Adv.Funct.Mater.期刊上發表了一篇題為“CoFe₂O₄?Nanocrystals Mediated Crystallization Strategy?for?Magnetic Functioned ZSM-5 Catalysts”的研究性論文。報道了一種由CoFe₂O₄納米晶體介導的磁性功能化的ZSM-5復合材料。選擇介孔二氧化硅固體凝膠作為前驅體，充當基質來限制磁性CoFe₂O₄納米晶體的生長。研究發現高相對結晶度納米晶體可以成功封裝在ZSM-5的單晶中，并賦予沸石磁性功能，因為在ZSM-5單晶的快速生長過程中不會有納米晶體的進一步生長。相反，具有低相對結晶度的納米晶體導致多晶沸石生長，從而形成由ZSM-5納米棒組成的微球和在分散于沸石晶體空隙間的CoFe₂O₄。所獲得的封裝CoFe₂O₄納米晶的磁性單晶沸石具有超順磁性，磁化率（4.7 emu g^-1），均勻尺寸（≈9?μm）和高表面積（330 m²?g^-1）。這些磁性單晶ZSM-5催化劑在環己酮與甲醇的縮醛化反應中表現出優異的轉化率和選擇性。磁性CoFe₂O₄納米晶體的封裝不影響ZSM-5沸石的催化性能，這對于化學和催化行業是非常有利的。

【圖文導讀】

圖一 不同相對結晶度的CoFe₂O₄納米晶體介導的ZSM-5結晶示意圖

圖二 CoFe₂O₄@ZSM復合材料的SEM、TEM、粒度分布

a-c）CoFe₂O₄@ZSM復合材料的SEM圖

d-f）CoFe₂O₄@ZSM復合材料的TEM圖，d中的插圖是SAED圖，比例尺：5 1/nm

g-i）CoFe₂O₄@ZSM復合材料的CoFe₂O₄基粒度分布

圖三 介孔硅膠中CoFe₂O₄的相對結晶度、XRD與TPR曲線

A）介孔硅膠中的CoFe₂O₄納米晶的相對結晶度與煅燒溫度的關系圖

B）介孔硅膠中的CoFe₂O₄納米晶的XRD圖

C）不同煅燒溫度下CoFe₂O₄@SiO₂的TPR分布圖：（a）200，（b）400和（c）600℃

圖四 CoFe₂O₄@ZSM復合材料的磁滯回線、ZFC和FC曲線

A）300K 下CoFe₂O₄@ZSM復合材料的磁滯回線，CoFe₂O₄@ZSM-5-200 (a)，CoFe₂O₄@ZSM-5-400 (b)，CoFe₂O₄@ZSM-5-600 (c)

B）5K 下CoFe₂O₄@ZSM復合材料的磁滯回線

C）CoFe₂O₄@ZSM-5-600的ZFC和FC曲線

D）通過將NaOH溶液加入到鐵和鈷離子水溶液中制備的純CoFe₂O₄納米晶體的ZFC和FC曲線

圖五 CoFe₂O₄@ZSM-5-600催化劑的性能

A）用甲醇縮醛化環己酮的方案

B）環己酮的轉化率隨反應時間的變化圖

C）CoFe₂O₄@ZSM-5-600催化劑的可重復使用性

D）CoFe₂O₄@ZSM-5-600催化劑使用前后的XRD圖

E）300K下CoFe₂O₄@ZSM-5-600催化劑使用前后的磁滯回線

【小結】

這項工作將小的CoFe₂O₄納米晶體（約4?nm）成功地包封到ZSM-5沸石基質中。在ZSM-5沸石晶體生長過程中，納米晶體不發生二次生長，其運動受到限制。磁性功能沸石CoFe₂O₄@ZSM-5-600復合催化劑在環己酮與甲醇縮醛化反應中表現出優異的轉化率和選擇性。最重要的是，催化性能不受磁性CoFe₂O₄納米晶體的包封的影響。所提出的功能沸石的設計原理可能適用于磁穩定床，該床滿足了對超順磁性和磁穩定性的催化劑的高需求。

文獻鏈接：CoFe₂O₄?Nanocrystals Mediated Crystallization Strategy?for Magnetic?Functioned ZSM-5 Catalysts（Advanced Functional Materials., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201802088）

本文由材料人編輯部學術組李倩整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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