石河子大学CEJ文章：化工过程强化技术制备MOF衍生纳米材料
金属-有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks，简称MOF）是近十年来发展迅速的一种配位聚合物，主要由过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料，是一类重要的新型多孔材料，具有大比表面积、低密度、高孔隙率、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点。MOF已经成为催化、储能和分离等领域的重要研究方向。目前，制备MOF的主要方法是传统的溶液合成方法（一锅法），该方法反应缓慢并且耗时较长。
石河子大学化学化工学院工业催化课题组一直致力于采用化工过程强化技术制备化工新材料的研究工作，并成功制备了二维层状纳米材料、三维多孔分级结构球形材料等。相关制备技术如下：
（a）高剪切混合强化技术（High Shear Mixer-Crushing Method, HSM-CM）：HSM技术可以有效的解决宏观混合不均的问题，并且使物料能够快速的进入到剪切间隙，可以实现毫秒级混合均匀，适合超高黏度、高固含量体系。与传统的生产工艺相比，高剪切技术具有超强的粉碎功能、能耗低、产品质量高等优势。（Applied Catalysis A: General , 2019, 586: 117237.; Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2019, 145: 107664.; Materials, 2017, 10(9):1030.; Electrochimica Acta, 2015, 173:448-457.；）
（b）瞬时纳米沉降技术（flash nano-precipitation, FNP）：FNP法可以迅速混合两种或两种以上的溶液，大大缩短了材料的制备时间，整个制备流程在几秒内完成，可以连续操作。相比与传统间歇式的溶液合成法、共沉淀法等方法，FNP法可实现材料的连续快速制备。（Sustainable Energy & Fuels, 2019, 3(1): 237-244.; Chemical Engineering Research and Design, 2018, 134: 476-486.; Nanomaterials, 2018, 8(8): 620.; Catalysts, 2018, 8(9): 363.）
（c）喷雾干燥造粒技术（spray drying, SD）：SD技术是物料干燥的一种方法，它可以将需干燥的液体物料，分散成很细的像雾一样的微粒，使之与热空气的接触，瞬间将大部分水分除去，得到固体粉末。该法可以直接处理溶液、乳浊液、悬浊液等，干燥过程非常迅速，并且具有生产效率高、生产能力大、可连续生产等优点。（Green Energy & Environment, 2019, 4(3): 311-321.; Chemical Engineering Journal, 2018, 346: 182-192.; Journal of Power Sources, 2009, 189(1): 794-797. Journal of Power Sources, 2009, 195(19): 6873-6878.）
近日，该研究团队通过一锅法、瞬时纳米沉降法和喷雾干燥法分别制备了MOF材料Cu-BTC，热处理后得到了Cu/C-DM、Cu/C-FNP和Cu/C-SD纳米材料。相比于传统一锅法制备的Cu/C-DM，采用瞬时纳米沉降法和喷雾干燥法制备的Cu/C-FNP和Cu/C-SD应用于CO选择性催化还原（CO-SCR）反应，表现出了较为优异的脱硝性能。其中，Cu/C-SD催化剂样品主要由面心立方金属铜相组成，DFT计算发现在铜的（111）晶面上CO，NO和O2分子的键长分别从1.14、1.17和1.24Å显着延伸至1.17、1.22和1.51Å。该结果进一步证明了Cu的（111）晶面能够用于潜在地激活CO，NO和O2分子，有利于NO + CO反应的进行。
同时，Cu/C-SD具有较高的比表面积172.7 m2/g，含有大量的氧空位和化学吸附氧，这促进了CO对NO的催化还原。Cu/C-SD催化剂在300 ℃时可以完全去除NO，N2选择性达98.8％，表现出了优异的CO-SCR脱硝性能。相关工作以“Enhanced selective catalytic reduction of NO with CO over Cu/C nanoparticles synthetized from a Cu-benzene-1,3,5-tricarboxylate metal organic framework by a continuous spray drying process”为题在国际TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上发表，论文第一作者化学化工学院研究生周夏和翟兴吾，通讯作者但建明教授、Pfeiffer教授和于锋教授。
图1. MOF衍生Cu/C催化剂在不同温度下的脱硝性能。
感谢兵团重大科技计划项目（No.2018AA002）和兵团科技创新人才计划（No.2019CB025）资助。
文章链接： Xia Zhou, Xingwu Zhai, Guixian Ge, Jianming Dan*, Keke Pan, Junqi Tian, Ruobin Sun, Bin Dai, Heriberto Pfeiffer*, Feng Yu*, Enhanced selective catalytic reduction of NO with CO over Cu/C nanoparticles synthetized from a Cu-benzene-1,3,5-tricarboxylate metal organic framework by a continuous spray drying process, Chemical Engineering Journal, 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.124270
