中科大熊宇杰:MOFs涂层提高Cu2O光电催化CO2还原的性能
2019-06-29 09:15:37   来源:

▲共同第一作者:邓希,李睿,吴思凯;通讯作者:熊宇杰,张群,高超;

通讯单位:中国科学技术大学

论文DOI:10.1021/jacs.9b06239

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光电化学(PEC)将 CO催化还原为化学燃料和化学品原料是解决能源和环境问题一种非常有前景的策略,其依赖于 p 型光阴极的发展。近日,中科大熊宇杰教授、高超副研究员团队报道了一种在 Cu2O 光阴极表面原位生长包覆金属-有机框架(MOFs)的简便方法,该方法既能有效防止 Cu2O 光电极的光腐蚀,又能为 CO还原反应提供活性位点。通过与中科大张群教授团队合作,利用超快光谱分析表明 MOFs 与 Cu2O 所形成的界面能有效促进光生电荷的分离和转移,从而显著提高 Cu2O  在 PEC 催化 CO还原中的活性和稳定性。

背景介绍

A. PEC 催化 CO还原

将 CO直接转化为可存储的高附加值化学燃料和化学品原料越来越受到关注。其中,光电化学(PEC)催化途径将电催化和光催化两者的优点结合在一起,是实现 CO转化最有前景同时具有挑战性的策略之一。 通常 PEC 体系采用 p 型半导体作为光阴极来进行 CO还原, 然而可以捕获可见光的 p 型半导体的选择非常有限。 氧化亚铜(Cu2O)是一种常见的 p 型半导体,具有高载流子迁移率,有效的 CO活化位点,较强的可见光吸收,环境友好和自然界含量丰富等优点,使其成为发展 PEC 催化 CO还原的首选材料。

B. Cu2光阴极的光腐蚀

然而 Cu2O 光阴极存在严重的光腐蚀问题,其 Cu 活性位点在催化反应中易发生化学变化,使得 Cu2O 在实际应用中受到限制。在 Cu2O 表面包覆金属氧化物可有效地防止其光腐蚀,然而这种策略通常依赖于昂贵的原子层沉积技术,并且缺乏有效的催化位点。我们希望,表面涂层材料不仅可以改善 Cu2O 光阴极的光稳定性,而且能够提供催化位点,并且有效地将光生电子从光阴极表面转移到催化位点以用于 CO活化。

C. 金属-有机骨架(MOFs)材料

金属-有机骨架(MOFs)是一类多孔材料,可以容易地包覆在多种无机材料表面,并为各种催化反应提供活性位点。我们之前已经证明,光生电子可以有效地从半导体转移到 MOFs 上用于 CO还原 (Adv. Mater. 201426, 4783.)。这些特性使得 MOFs 材料成为 Cu2O 光阴极表面涂层的理想材料,有望提高 PEC 催化 CO还原的性能。

研究出发点

Omar M. Yaghi 教授在 Nature Materials 的一篇观点评述文章(Perspective)中提出 MOFs 为设计 CO还原催化剂提供了理想的平台,而光电化学 PEC 策略结合了光催化和电催化的优势,是未来发展 CO还原的方向(Nature Mater. 201817, 301–307)。其中,提高载流子的迁移率是将MOFs应用于光电 CO还原催化剂设计中的一个关键挑战,而 MOFs 在 PEC 催化 CO还原中的应用鲜有报道。基于此,我们研究的出发点是对 MOFs 在 PEC 催化 CO还原中的应用进行基础研究探索,应对关键挑战。

此外,在构筑 Cu2O 光电阴极时常用的策略是在其表面沉积一层致密的金属氧化物保护层以阻止其光腐蚀。然而,这种传统的金属氧化物保护层被认为是阻碍光电极和催化位点之间界面电荷转移的罪魁