Metal-Organic Frameworks for Catalysis

doi:10.6023/A15080547

Abstract

Emerging as a relatively new class of porous materials, metal-organic frameworks (MOFs), possessing diversified, designable and tailorable structures as well as ultrahigh surface area, have captured broad research interest and shown potential applications in many fields in recent years. In particular, MOFs have attracted intensive attention in catalysis. In the first two parts of this review, according to the origin of active sites, for examples, coordinatively unsaturated metal centers, functional organic linkers, functional sites chemically grafted onto the framework, as well as metal complexes or metal nanoparticles (MNPs) encapsulated inside the MOFs, etc., we have summarized the recent progress in heterogeneous catalysis over MOFs and their composites in recent several years. In addition, the MOF-based photocatalysis and electrocatalysis have also been briefly introduced in the subsequent two parts. Finally, the further development and challenge in MOF catalysis are discussed.

Key words: metal-organic frameworks, porous materials, heterogeneous catalysis, photocatalysis, electrocatalysis

Cite this article

Huang Gang, Chen Yuzhen, Jiang Hailong. Metal-Organic Frameworks for Catalysis[J]. Acta Chimica Sinica, 2016, 74(2): 113-129.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] Yaghi, O. M.; Li, G.; Li, H. Nature 1995, 378, 703.
[2] Moulton, B.; Zaworotko, M. J. Chem. Rev. 2001, 101, 1629.
[3] Férey, G.; Mellot-Draznieks, C.; Serre, C.; Millange, F. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 217.
[4] Hill, R. J.; Long, D.-L.; Champness, N. R.; Hubberstey, P.; Schröder, M. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 335.
[5] Zhou, Z.; Xue, C.; Yang, Q.; Zhong, C. Acta Chim. Sinica 2009, 67, 477. (周子娥, 薛春瑜, 阳庆元, 仲崇立, 化学学报, 2009, 67, 477.)
[6] Zhang, X.; An, X.; Liu, D.; Yang, Q.; Yang, Z.; Zhong, C.; Lu, X. Acta Chim. Sinica 2011, 69, 84. (张秀芳, 安晓辉, 刘大欢, 阳庆元, 杨祝红, 仲崇立, 陆小华, 化学学报, 2011, 69, 84.)
[7] Liu, B.; Tang, L.; Lian, Y.; Li, Z.; Sun, C.; Chen, G. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 920. (刘蓓, 唐李兴, 廉源会, 李智, 孙长宇, 陈光进, 化学学报, 2013, 71, 920.)
[8] Jia, J.; Wang, L.; Zhao, Q.; Sun, F.; Zhu, G. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 1492. (贾江涛, 王蕾, 赵晴, 孙福兴, 朱广山, 化学学报, 2013, 71, 1492.)
[9] He, Y.; Tan, Y.; Zhang, J. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 1228. (何燕萍, 谭衍曦, 张健, 化学学报, 2014, 72, 1228.)
[10] Wang, W.; Yuan, Y.; Sun, F.-X.; Zhu, G.-S. Chin. Chem. Lett. 2014, 25, 1407.
[11] Wen, R.-M.; Han, S.-D.; Wang, H.; Zhang, Y.-H. Chin. Chem. Lett. 2014, 25, 854.
[12] Zhao, J.-A.; Chen, S.-F.; Zhao, D.-D.; Guo, Y.; Peng, K.; Hu, J.-Y. Chin. Chem. Lett. 2013, 24, 483.
[13] Long, J. R.; Yaghi, O. M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1213.
[14] Zhou, H.-C.; Long, J. R.; Yaghi, O. M. Chem. Rev. 2012, 112, 673.
[15] Furukawa, H.; Cordova, K. E.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Science 2013, 341, 974.
[16] Zhou, H.-C.; Kitagawa, S. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5415.
[17] Cook, T. R.; Zheng, Y.-R.; Stang, P. J. Chem. Rev. 2013, 113, 734.
[18] Ma, S.; Zhou, H.-C. Chem. Commun. 2010, 46, 44.
[19] Sumida, K.; Rogow, D. L.; Mason, J. A.; McDonald, T. M.; Bloch, E. D.; Herm, Z. R.; Bae, T.-H.; Long, J. R. Chem. Rev. 2012, 112, 724.
[20] Suh, M. P.; Park, H. J.; Prasad, T. K.; Lim, D.-W. Chem. Rev. 2012, 112, 782.
[21] Nugent, P.; Belmabkhout, Y.; Burd, S. D.; Cairns, A. J.; Luebke, R.; Forrest, K.; Pham, T.; Ma, S.; Space, B.; Wojtas, L.; Eddaoudi, M.; Zaworotko, M. J. Nature 2013, 495, 80.
[22] Li, J.-R.; Sculley, J.; Zhou, H.-C. Chem. Rev. 2012, 112, 869.
[23] He, Y.; Zhou, W.; Qian, G.; Chen, B. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5657.
[24] Seo, J. S.; Whang, D.; Lee, H.; Jun, S. I.; Oh, J.; Jeon, Y. J.; Kim, K. Nature 2000, 404, 982.
[25] Corma, A.; García, H.; Llabrés i Xamena, F. X. Chem. Rev. 2010, 110, 4606.
[26] Jiang, H.-L.; Xu, Q. Chem. Commun. 2011, 47, 3351.
[27] Gascon, J.; Corma, A.; Kapteijn, F.; Llabrés i Xamena, F. X. ACS Catal. 2014, 4, 361.
[28] Zhang, T.; Lin, W. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5982.
[29] Liu, J.; Chen, L.; Cui, H.; Zhang, J.; Zhang, L.; Su, C.-Y. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 6011.
[30] Dhakshinamoorthy, A.; Alvaro, M.; Garcia, H. Chem. Eur. J. 2010, 16, 8530.
[31] Chen, B.; Xiang, S.; Qian, G. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1115.
[32] Takashima, Y.; Martinez, V. M.; Furukawa, S.; Kondo, M.; Shimomura, S.; Uehara, H.; Nakahama, M.; Sugimoto, K.; Kitagawa, S. Nat. Commun. 2011, 2, 168.
[33] Kreno, L. E.; Leong, K.; Farha, O. K.; Allendorf, M.; Van Duyne, R. P.; Hupp, J. T. Chem. Rev. 2012, 112, 1105.
[34] Lin, R.-B.; Li, F.; Liu, S.-Y.; Qi, X.-L.; Zhang, J.-P.; Chen, X.-M. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 13429.
[35] Hu, Z.; Deibert, B. J.; Li, J. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5815.
[36] Zhang, M.; Feng, G.; Song, Z.; Zhou, Y.-P.; Chao, H.-Y.; Yuan, D.; Tan, T. T. Y.; Guo, Z.; Hu, Z.; Tang, B. Z.; Liu, B.; Zhao, D. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7241.
[37] An, J.; Geib, S. J.; Rosi, N. L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 8376.
[38] Horcajada, P.; Gref, R.; Baati, T.; Allan, P. K.; Maurin, G.; Couvreur, P.; Férey, G.; Morris, R. E.; Serre, C. Chem. Rev. 2012, 112, 1232.
[39] Ramaswamy, P.; Wong, N. E.; Shimizu, G. K. H. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5913.
[40] Mallick, A.; Garai, B.; Díaz, D. D.; Banerjee, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 13755.
[41] Kitagawa, H. Nat. Chem. 2009, 1, 689.
[42] Farrusseng, D.; Aguado, S.; Pinel, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 7502.
[43] Choi, K. M.; Na, K.; Somorjai, G. A.; Yaghi, O. M. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7810.
[44] Wang, Z.; Cohen, S. M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1315.
[45] Dhakshinamoorthy, A.; Alvaro, M.; Garcia, H. Chem. Commun. 2012, 48, 11275.
[46] Chui, S. S.-Y.; Lo, S. M.-F.; Charmant, J. P. H.; Orpen, A. G.; Williams, I. D. Science 1999, 283, 1148.
[47] Schlichte, K.; Kratzke, T.; Kaskel, S. Microporous Mesoporous Mater. 2004, 73, 81.
[48] Alaerts, L.; Séguin, E.; Poelman, H.; Thibault-Starzyk, F.; Jacobs, P. A.; De Vos, D. E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 7353.
[49] Férey, G.; Mellot-Draznieks, C.; Serre, C.; Millange, F.; Dutour, J.; Surblé, S.; Margiolaki, I. Science 2005, 309, 2040.
[50] Henschel, A.; Gedrich, K.; Kraehnert, R.; Kaskel, S. Chem. Commun. 2008, 4192.
[51] Kim, J.; Bhattacharjee, S.; Jeong, K.-E.; Jeong, S.-Y.; Ahn, W.-S. Chem. Commun. 2009, 3904.
[52] Jiang, Z.-R.; Wang, H.; Hu, Y.; Lu, J.; Jiang, H.-L. ChemSusChem 2015, 8, 878.
[53] Akiyama, G.; Matsuda, R.; Sato, H.; Takata, M.; Kitagawa, S. Adv. Mater. 2011, 23, 3294.
[54] Zhou, Y.-X.; Chen, Y.-Z.; Hu, Y.; Huang, G.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Chem. Eur. J. 2014, 20, 14976.
[55] Bloch, E. D.; Britt, D.; Lee, C.; Doonan, C. J.; Uribe-Romo, F. J.; Furukawa, H.; Long, J. R.; Yaghi, O. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14382.
[56] Carson, F.; Agrawal, S.; Gustafsson, M.; Bartoszewicz, A.; Moraga, F.; Zou, X.; Martín-Matute, B. Chem. Eur. J. 2012, 18, 15337.
[57] Valvekens, P.; Bloch, E. D.; Long, J. R.; Ameloot, R.; De Vos, D. E. Catal. Today 2015, 246, 55.
[58] Feng, D.; Gu, Z.-Y.; Li J.-R.; Jiang, H.-L.; Wei, Z.; Zhou, H.-C. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 10307.
[59] Vermoortele, F.; Ameloot, R.; Vimont, A.; Serre, C.; De Vos, D. Chem. Commun. 2011, 47, 1521.
[60] Hwang, Y. K.; Hong, D.-Y.; Chang, J.-S.; Jhuang, S. H.; Seo, Y.-K.; Kim, J.; Vimont, A.; Daturi, M.; Serre, C.; Férey, G. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 4144.
[61] Banerjee, M.; Das, S.; Yoon, M.; Choi, H. J.; Hyun, M. H.; Park, S. M.; Seo, G.; Kim, K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7524.
[62] Seo, J. S.; Whang, D.; Lee, H.; Jun, S. I.; Oh, J.; Jeon, Y. J.; Kim, K. Nature 2000, 404, 982.
[63] Ma, L.; Abney, C.; Lin, W. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1248.
[64] Yoon, M.; Srirambalaji, R.; Kim, K. Chem. Rev. 2012, 112, 1196.
[65] Zhang, X.; Llabrés i Xamena, F. X.; Corma, A. J. Catal. 2009, 265, 155.
[66] Alkordi, M. H.; Liu, Y.; Larsen, R. W.; Eubank, J. F.; Eddaoudi, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12639.
[67] Li, B.; Zhang, Y.; Ma, D.; Ma, T.; Shi, Z.; Ma, S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1202.
[68] Dhakshinamoorthy, A.; Garcia, H. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 5262.
[69] Moon, H. R.; Lim, D.-W.; Suh, M. P. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1807.
[70] Meilikhov, M.; Yusenko, K.; Esken, D.; Turner, S.; Tendeloo, G. V.; Fischer, R. A. Eur. J. Inorg. Chem. 2010, 3701.
[71] Hermes, S.; Schröter, M.-K.; Schmid, R.; Khodeir, L.; Muhler, M.; Tissler, A.; Fischer, R. W.; Fischer, R. A. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 6237.
[72] Ishida, T.; Nagaoka, M.; Akita, T.; Haruta, M. Chem. Eur. J. 2008, 14, 8456.
[73] Yuan, B.; Pan, Y.; Li, Y.; Yin, B.; Jiang, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 4054.
[74] Long, J.; Liu, H.; Wu, S.; Liao, S.; Li, Y. ACS Catal. 2013, 3, 647.
[75] Aijaz, A.; Karkamkar, A.; Choi, Y. J.; Tsumori, N.; Rönnebro, E.; Autrey, T.; Shioyama, H.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13926.
[76] Schröder, F.; Esken, D.; Cokoja, M.; van den Berg, M. W. E.; Lebedev, O. I.; Van Tendeloo, G.; Walaszek, B.; Buntkowsky, G.; Limbach, H.-H.; Chaudret, B.; Fischer, R. A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6119.
[77] Jiang, H.-L.; Liu, B.; Akita, T.; Haruta, M.; Sakurai, H.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 11302.
[78] Zlotea, C.; Campesi, R.; Cuevas, F.; Leroy, E.; Dibandji, P.; Volkringer, C.; Loiseau, T.; Férey, G.; Latroche, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 2991.
[79] Jiang, H.-L.; Akita, T.; Ishida, T.; Haruta, M.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1304.
[80] Gu, X.; Lu, Z.-H.; Jiang, H.-L.; Akita, T.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11822.
[81] Guo, Z.; Xiao, C.; Maligal-Ganesh, R. V.; Zhou, L.; Goh, T. W.; Li, X.; Tesfagaber, D.; Thiel, A.; Huang, W. ACS Catal. 2014, 4, 1340.
[82] Yang, Q.; Chen, Y.-Z.; Wang, Z. U.; Xu, Q.; Jiang, H.-L. Chem. Commun. 2015, 51, 10419.
[83] Chen, Y.-Z.; Xu, Q.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Small 2015, 11, 71.
[84] Chen, Y.-Z.; Liang, L.; Yang, Q.; Hong, M.; Xu, Q.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Mater. Horiz. 2015, 2, 606.
[85] Zhang, H.-X.; Liu, M.; Bu, X.; Zhang, J. Sci. Rep. 2014, 4, 3923.
[86] Chen, Y.-Z.; Zhou, Y.-X.; Wang, H.; Lu, J.; Uchida, T.; Xu, Q.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. ACS Catal. 2015, 5, 2062.
[87] Lu, G.; Li, S.; Guo, Z.; Farha, O. K.; Hauser, B. G.; Qi, X.; Wang, Y.; Wang, X.; Han, S.; Liu, X.; Duchene, J. S.; Zhang, H.; Zhang, Q.; Chen, X.; Ma, J.; Loo, S. C. J.; Wei, W. D.; Yang, Y.; Hupp, J. T.; Huo, F. Nat. Chem. 2012, 4, 310.
[88] Kuo, C.-H.; Tang, Y.; Chou, L.-Y.; Sneed, B. T., Brodsky, C. N.; Zhao, Z.; Tsung, C.-K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14345.
[89] Yang, Y.; Wang, F.; Yang, Q.; Hu, Y.; Yang, H.; Chen, Y.-Z.; Liu, H.; Zhang, G.; Lu, J.; Jiang, H.-L.; Xu, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 18163.
[90] Zhao, H.; Song, H.; Xu, L.; Chou, L. Appl. Catal. A:Gen. 2013, 456, 188.
[91] Zhou, Y.-X.; Chen, Y.-Z.; Cao, L.; Lu, J.; Jiang, H.-L. Chem. Commun. 2015, 51, 8292.
[92] Alvaro, M.; Carbonell, E.; Ferrer, B.; Llabrés i Xamena, F. X.; Garcia, H. Chem. Eur. J. 2007, 13, 5106.
[93] Tachikawa, T.; Choi, J. R.; Fujitsuka, M.; Majima, T. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 14090.
[94] Wang, C.-C.; Li, J.-R.; Lv, X.-L.; Zhang, Y.-Q.; Guo, G. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2831.
[95] Du, J.-J.; Yuan, Y.-P.; Sun, J.-X.; Peng, F.-M.; Jiang, X.; Qiu, L.-G.; Xie, A.-J.; Shen, Y.-H.; Zhu, J.-F. J. Hazard. Mater. 2011, 190, 945.
[96] Yang, H.; He, X.-W.; Wang, F.; Kang, Y.; Zhang, J. J. Mater. Chem. 2012, 22, 21849.
[97] Wang, C.; Xie, Z.; deKrafft, K. E.; Lin, W. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13445.
[98] Long, J.; Wang, S.; Ding, Z.; Wang, S.; Zhou, Y.; Huang, L.; Wang, X. Chem. Commun. 2012, 48, 11656.
[99] Kataoka, Y.; Sato, K.; Miyazaki, Y.; Masuda, K.; Tanaka, H.; Naito, S.; Mori, W. Energy Environ. Sci. 2009, 2, 397.
[100] Gomes Silva, C.; Luz, I.; Llabrés i Xamena, F. X.; Corma, A.; García, H. Chem. Eur. J. 2010, 16, 11133.
[101] Wang, C.; deKrafft, K. E.; Lin, W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7211.
[102] He, J.; Yan, Z.; Wang, J.; Xie, J.; Jiang, L.; Shi, Y.; Yuan, F.; Yu, F.; Sun, Y. Chem. Commun. 2013, 49, 6761.
[103] Fu, Y.; Sun, D.; Chen, Y.; Huang, R.; Ding, Z.; Fu, X.; Li, Z. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 3364.
[104] Li, R.; Deng, M.; Wang, H.; Wang, X.; Hu, Y.; Jiang, H.-L.; Jiang, J.; Zhang, Q.; Xie, Y.; Xiong, Y. Adv. Mater. 2014, 26, 4783.
[105] Xu, H.-Q.; Hu, J.; Wang, D.; Li, Z.; Zhang, Q.; Luo, Y.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 13440.
[106] Chen, Y.-Z.; Wang, C.; Wu, Z.-Y.; Xiong, Y.; Xu, Q.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Adv. Mater. 2015, 27, 5010.
[107] Zhang, W.; Wu, Z.-Y.; Jiang, H.-L.; Yu, S.-H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14385.
[108] Qin, J.-S.; Du, D.-Y.; Guan, W.; Bo, X.-J.; Li, Y.-F.; Guo, L.-P.; Su, Z.-M.; Wang, Y.-Y.; Lan, Y.-Q.; Zhou, H.-C. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7169.
[109] Ma, T. Y.; Dai, S.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13925.
[110] Jiang, H.-L.; Liu, B.; Lan, Y.-Q.; Kuratani, K.; Akita, T.; Shioyama, H.; Zong, F.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11854.
[111] Tang, J.; Salunkhe, R. R.; Liu, J.; Torad, N. L.; Imura, M.; Furukawa, S.; Yamauchi, Y. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1572.
[112] Zhang, L.; Wu, H. B.; Madhavi, S.; Hng, H. H.; Lou, X. W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17388.
[113] Cao, X.; Zheng, B.; Rui, X.; Shi, W.; Yan, Q.; Zhang, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 126, 1428.
[114] Lee, J.; Farha, O. K.; Roberts, J.; Scheidt, K. A.; Nguyen, S. T.; Hupp, J. T. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1450.
[115] Ranocchiari, M.; van Bokhoven, J. A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 6388.
[116] Valvekens, P.; Vermoortele, F.; De Vos, D. Catal. Sci. Technol. 2013, 3, 1435.
[117] Song, Y.; Li, X.; Sun, L.; Wang, L. RSC Adv. 2015, 5, 7267.
[118] Wang, J.-L.; Wang, C.; Lin, W. ACS Catal. 2012, 2, 2630.
[119] Morozan, A.; Jaouen, F. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9269.
[120] Xia, W.; Mahmood, A.; Zou, R.; Xu, Q. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1837.
[121] Feng, D.; Gu, Z.-Y.; Chen, Y.-P.; Park, J.; Wei, Z.; Sun, Y.; Bosch, M.; Yuan, S.; Zhou, H.-C. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 17714.
[122] Feng, D.; Chung, W.-C.; Wei, Z.; Gu, Z.-Y.; Jiang, H.-L.; Chen, Y.-P.; Darensbourg, D. J.; Zhou, H.-C. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17105.
[123] Jiang, H.-L.; Feng, D.; Wang, K.; Gu, Z.-Y.; Wei, Z.; Chen, Y.-P.; Zhou, H.-C. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13934.
[124] Mondloch, J. E.; Bury, W.; Fairen-Jimenez, D.; Kwon, S.; DeMarco, E. J.; Weston, M. H.; Sarjeant, A. A.; Nguyen, S. T.; Stair, P. C.; Snurr, R. Q.; Farha, O. K.; Hupp, J. T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10294.
[125] Zhang, W.; Hu, Y.; Ge, J.; Jiang, H.-L.; Yu, S.-H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16978.

金属有机骨架材料在催化中的应用 2016 Awarded