Enhanced Activity of Heterogeneous Pd(II) Catalysts on Acid-Functionalized Metal–Organic Frameworks

催化作用 金属有机骨架 化学 密度泛函理论 X射线光电子能谱 多相催化 氧化态 组合化学 金属 无机化学 光化学 化学工程 计算化学 物理化学 有机化学 吸附 工程类
作者
Ken‐ichi Otake,Jingyun Ye,Mukunda Mandal,Timur İslamoğlu,Cassandra T. Buru,Joseph T. Hupp,Massimiliano Delferro,Donald G. Truhlar,Christopher J. Cramer,Omar K. Farha
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:9 (6): 5383-5390 被引量:84
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b01043
摘要

Single-site heterogeneous catalysts (SSHCs) play important roles in fundamental science and technology, owing to the molecular level control of structure–support interactions that is possible in these systems. Recently, SSHCs supported by acidic oxides have attracted particular interest because catalytically active metal centers can be formed at the surface sites. Here, we incorporated a palladium SSHC in phosphated and sulfated metal–organic frameworks (MOFs), hafnium-based MOF-808 (Hf-MOF-808-PO4 and Hf-MOF-808-SO4). The structural and electronic properties of the Pd(II) sites coordinated to the acidic sites in these MOFs were investigated through X-ray photoelectron spectroscopy, vibrational spectroscopy, X-ray crystallographic techniques, catalytic studies, and quantum mechanical electronic structure calculations employing density functional theory. We demonstrated that the presence of node-bound acidic functional groups stabilizes the Pd(II) site in these MOFs, resulting in enhanced catalytic activities (compared to in the nonacid functionalized Hf-MOF-808) in the oxidative Heck reaction where Pd(II) is the active species. The density functional calculations support the interpretation that the acid functionalization of the MOF node can stabilize the Pd(0) intermediate state during the catalytic reactions, thereby suppressing Pd(0) aggregation leading to catalyst deactivation. These findings offer insights and methodology for the catalytic investigation of SSHCs in MOFs.
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