【研究成果】材料新星─金屬有機骨架的新應用:丙烯腈(AN)到己二腈(ADN)的電催化觸媒(Electrocatalysts)

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖一、以鉛為基底之MOF衍生材料用作電合成己二腈(ADN)之電觸媒。

1990年代起,大量研究能量投入了金屬有機骨架(MOF)相關研究。可調控孔洞大小、可設計各式不同官能基,並搭建起連接無機與有機化學分子之間的橋樑,MOF廣泛運用在不同領域,近期甚至被應用於電合成尼龍66關鍵原料之電觸媒。國立成功大學龔仲偉老師實驗室的此研究,更獲選為國際期刊封面!

金屬有機骨架(Metal–Organic Frameworks, MOFs)

金屬有機骨架(Metal–Organic Frameworks, MOFs)被視為材料科學領域中的明日之星。1990年代起,各式孔隙率(porosity)和比表面積(specific surface area)大、可調式孔洞尺寸、具有仿生和生物可降解性的MOFs材料相繼被穩定合成出。相關研究廣泛運用於超級電容器、催化、分離氣體或液體、儲存氫氣、傳感器、活體中藥物釋放、活體實時監測……

MOFs材料有著金屬無機分子的特性,又同時能藉由選擇有機分子配體獲取不同官能基之性質,並將其設計成為三維空間中具有大量活性位點的骨架,若再搭配材料的高導電性,MOFs將為電催化反應應用中帶來莫大潛能。然而實際上,多數MOFs在惡劣環境下無法保持良好化學穩定性,且導電性差,這使得MOFs應用在電催化反應成為一大挑戰。

國立成功大學化工系龔仲偉老師實驗室,研究著重於設計、合成與鑑定各種先進金屬有機骨架,其中就將MOFs作為電極材料,應用在電化學中作為電觸媒以催化反應進行,以得更高的產率。

電催化與電觸媒

電催化反應作為奈米材料及綠色能源研究的熱門切入點,透過電化學反應,將電能轉換為化學能,是未來新能源儲存策略與各式技術之關鍵。因此,選擇並優化高活性的電極表面修飾材料極為重要,扮演催化劑的電觸媒則是影響速率與產率的主要角色。

電合成己二腈(Adiponitrile, ADN)

己二腈(Adiponitrile, ADN)是製備尼龍66的關鍵材料,而尼龍66則是眾多尼龍材料中最常見種類之一,廣泛被運用的尼龍市場規模在2021年約為230億美元。製備ADN主要由兩種方法而成:丁二烯的熱氫氰化(thermal hydrocyanation of butadiene)以及丙烯腈的電化學氫二具體(electrochemical hydrodimerization of acrylonitrile),相較於前者,後者電合成製備方法是較為環境友善的一種方式。

金屬有機骨架(MOF)衍生材料用作電合成己二腈(ADN)之電觸媒

龔仲偉老師實驗室於2022年發表的研究中,利用金屬有機骨架(MOF)衍生材料用作電合成己二腈之電觸媒,獲發表於美國化學學會旗下之重要國際期刊ACS Applied Materials & Interfaces (volume 14 (2022) 35534-35544),並獲選為該期期刊封面。論文第一作者為龔仲偉老師指導的碩士班學生王宜晴同學。

研究發現透過以鉛為基底的MOF作為前驅物進一步燒結得到之複合材料,可以同時具備多孔性、導電性與催化活性,作為電觸媒大幅降低電化學反應驅動力。其中最佳的MOF衍生電觸媒可在相對於可逆氫電極-0.85V的外加電位下,生成ADN可達到67%法拉第效率。此為所有文獻中第一次合成ADN的電觸媒材料,相信將會為尼龍66工業製程中的生產效率帶來一突破性成長!

 


參考文獻

[1] Yi-Ching Wang, Jia-Hui Yen, Chi-Wei Huang, Tzu-En Chang, You-Liang Chen, Yu-Hsiu Chen, Chia-Yu Lin, and Chung-Wei Kung. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 31. https://doi.org/10.1021/acsami.2c07060

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