Unveiling Surface Electronic Descriptors and Structure–Activity Relationships of Frustrated Lewis Pairs within Topologically Engineered M6O4(OH)4-Based MOFs for Hydrogenolysis

氢解 曲面(拓扑) 电子结构 催化作用 化学 物理 结晶学 计算化学 数学 几何学 有机化学
作者
Zuoshuai Xi,Xinmeng Xu,Hongyi Gao,Linmeng Wang,Wenting Ding,Chenhui He,Chang‐An Wang,Z.Y. Liu,Jing Lin,Ping Yang,Ge Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (18): 16144-16155
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c03214
摘要

The rational design of frustrated Lewis pairs (FLPs) within metal–organic frameworks (MOFs) is crucial yet challenging for efficient hydrogenolysis reactions, primarily due to ambiguous structure–activity relationships and dynamic mechanisms. In this study, we employ typical MOFs featuring identical M6O4(OH)4 metal clusters but distinct topologies as model systems to investigate the underlying mechanisms of hydrogenolysis. By integrating in situ infrared spectroscopy with electronic property analysis, we elucidate, for the first time, the modulation of the energy barrier through the kinetically decoupled formation of the Lewis acid (LA)–H and Lewis base (LB)–H bonds in FLPs. The influence of topology-dependent spatial configuration and metal type (Zr/Ce) on H2 adsorption orientation and cleavage energy barriers is systematically explored using density functional theory (DFT) calculations alongside experimental characterization. The derived multivariate descriptor φCHELPG captures the electrostatic and spatial synergies among LA, LB, and proximal Brønsted acid (BA, μ3–OH) sites, offers exceptional predictive power for hydrogenolysis performance across mono- and bimetallic MOFs. MOF-808(Zr)-D1 exhibits the lowest energy barrier, attributed to LB-dominated H2 adsorption and retarded LB–H bond formation kinetics. This work paves the way for a transition from empirical screening to rational design in nonprecious metal hydrogenation systems.
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