金属有机框架(MOFs)衍生的多孔半导体高效光催化剂
2019-04-21 09:57:21   来源:

本文亮点

总结了以金属有机框架 (MOFs) 为前驱体衍生的多孔半导体催化剂,主要包括多孔金属氧化物、多孔金属硫化物以及它们的异质结构。 

总结了MOFs衍生的多孔半导体光催化剂在能源/环境相关反应中的应用

详细的探讨了如何通过构建MOFs衍生的多孔异质结构来提高材料的光催化活性。

内容简介

多孔材料由于具有较大的比表面积和丰富的孔道结构,可以提供大量的活性位点,从而有效提高光催化活性。近年来,金属有机框架(MOFs)被视为制备多孔半导体结构多孔半导体基异质结构的理想前驱体,且所制备的这些多孔结构在光催化领域表现出优异的性能。

金属有机框(MOFs)是由金属离子和有机配体配位而成的多孔配位聚合物,具有结构和孔道可调,大比表面积,高的孔隙率等优点,因此引发了广泛关注。通过合理的结构和组分设计,MOFs材料可以表现出优良的光催化活性。但是MOFs结构弱的热/化学稳定性以及弱的导电性抑制了MOFs材料在光催化领域的应用。

江苏师范大学韩锡光副教授课题组总结了近年来关于MOFs衍生的多孔半导体结构作为光催化剂的最新进展。MOFs衍生的多孔半导体结构主要包括多孔的金属氧化物、金属硫化物以及它们的异质结构,本文着重探讨这些光催化剂在四种能源/环境相关的反应(光解水反应、CO2的光还原、光催化的有机反应和污染物的光降解)中的应用。

图文导读

1  MOFs衍生的半导体光催化剂的结构优势

图1 MOFs衍生的半导体光催化剂大事纪。

近些年来,研究发现MOFs可以作为多孔半导体材料,如金属氧化物、金属硫化物以及它们的异质结构的前驱体。

主要原因如下:1)合成简便、成本低廉且结构稳定;2)MOFs金属中心和有机配体的多样性和高度可调性有利于构筑能带结构匹配的半导体异质结构;3)MOFs衍生的半导体继承了MOFs的多孔结构,具有大的比表面积,不仅有利于增加催化活性位点,而且可以增强其对光的吸收和利用;4)形貌可控性强,可以通过调控MOFs前驱体来实现对多孔半导体材料的尺寸和形貌控制。

2  MOFs衍生的多孔半导体在光解水中的应用

图2 (a)MOFs衍生的TiO2-基异质结构示意图,(b)MOFs衍生的CdS-基异质结构示意图。

对光解水制氢半反应来说,TiO2和CdS的光催化活性很高,因此MOFs衍生的光解水制氢催化剂多集中在TiO2-和CdS-基的多孔结构(图2)。

构筑合适的异质结构可以调节能带结构、提高光生载流子的分离和迁移效率、提高对光的利用率,从而提供光催化活性。除了以上优点外,MOFs衍生的异质结构具有高的比表面积,因此在光解水制氢效率中表现出了很高的产氢速率。

3   MOFs衍生的多孔半导体在CO2光还原中的应用

图3 (a) MOFs衍生的In2S3/CdIn2S4纳米管光催化剂示意图,(b-h)In2S3/CdIn2S4纳米管的结构表征。

高效的MOFs衍生光催化剂如In2S3/CdIn2S4纳米管, Fe@C和Au/TiO2等多孔半导体材料已应用于CO2光还原反应中。

4  MOFs衍生的多孔半导体在光催化有机反应中的应用

图4 (a-i)Cu2O基光催化剂CNPC的结构表征,(j-k)光催化剂CNPC在交叉脱氢耦合反应中的应用。

由于MOFs组分的高度可调性,MOFs衍生的半导体材料可以有效满足有机反应所需的能带结构。目前,MOFs材料衍生的有机反应光催化剂主要是Cu2O(图4)和TiO2分别与碳材料复合的异质结构。

5  MOFs衍生的多孔半导体在光降解污染物中的应用

图5 ZIF-8(a-i)和MOF-5(j-n)衍生的多孔ZnO基光催化剂的结构表征及其光催化活性。

MOFs衍生的多孔半导体材料具有高的比表面积,在光降解应用中表现了很高的催化活性。其中,基于ZnO(图5)TiO2、CdS、Fe2O3的光催化剂在甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B和其他有机污染物降解中发挥了很重要的部分。

作者简介

 

第一作者

展雯雯

副教授

江苏师范大学

化学与材料科学学院