非金属产氢光催化剂:MOF衍生的高氮掺杂石墨碳

作为一种清洁可再生的能源,氢气由于高能量密度(142 MJ kg-1)而受到广泛关注。光致水分解产氢是一种非常有前景的制氢方法,因为该方法充分利用了廉价易得的太阳能。在过去的几十年中,含金属的光催化剂,如TiO2,ZnO,SrTiO3,GaN和CdS等展现了较高光解水制氢催化活性。然而,非金属的光催化剂发展缓慢,究其原因,主要是由于复杂的合成路径和较低的产氢效率,这向合理设计与合成环境友好、可持续的非金属光催化剂提出了严峻挑战。

石墨烯是一种二维sp2杂化的碳材料,具有独特的单层结构和极高的电子迁移率。但是作为一种零间隙的半导体,它不能用于光催化氢析出过程。理论研究标明,异元素掺杂可以调控石墨烯的带隙结构,能导致其向金属/半导体转化。虽然氮掺杂石墨烯材料已经用于氢析出催化的研究,但是其材料制备工艺复杂、耗时、耗能、成本高,严重限制了其实际应用。

SMll-chengpeng

近期,南开大学程鹏和师唯团队利用金属-有机框架(MOF)作为前驱体采用一步煅烧法制备了氮掺杂石墨烯类似物(ZNGs)用于高效光催化析氢。由于前驱体ZIF-8含有高含量的氮元素,最终产物ZNGs也具有较高的氮含量(9-15%)并且保持了前驱体的多面体形貌。通过简单控制煅烧温度就能调控ZNGs中氮元素的总含量和多种氮元素种类(吡咯氮、吡啶氮、石墨氮)之间的相对含量进而优化出最佳的析氢活性。该团队发现,1000 oC煅烧得到的ZNG-1000具有最高的活性(18.5 µmol h−1),因为该材料中的石墨氮含量最高从而保持了光生载流子高的迁移率,进而影响了光催化剂的氢析出速率。该工作首次阐明了用于氢析出的非金属光催化剂可以通过MOF前驱体直接煅烧得到,方法简单有效。该思路也可拓展到其他领域,如污染物降解、二氧化碳还原和能量存储器件。

本工作在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201603279)上,第一作者为南开大学化学学院博士生赵秀霞。

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