金属有机框架材料作为光敏化剂用于光电化学水分解反应

advs63-gra-0001-m长久以来,宽禁带特性是制约光催化剂(如二氧化钛)应用的的重要因素,大于3.0 eV的禁带宽度使得二氧化钛只能吸收利用紫外光,而对可见光无响应,从而大大降低了此类光催化剂的光能转化效率。可见光能量大约占太阳光的40%(紫外光约5%),提高光催化剂对可见光的利用,从而提高光能转化效率是这类光催化剂研究长久以来的热点,吸引了众多科研工作者的兴趣。

近期,新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程系刘彬教授与南京工业大学霍封蔚教授课题组发现新型光敏化剂:金属有机框架(MOFs:Metal-organic frameworks)材料。MOFs不同于传统无机或有机材料,它是由金属离子或金属氧簇作为节点,有机配体作为桥连分子而组成的三维微孔晶体材料。其内部稳定、规则的微孔结构尺寸通常小于2 nm,这为MOF提供了其他材料所不能匹敌的特性——巨大的表面积(通常大于1000 m2/g , 目前最高纪录为NU-109,NU-110的7000 m2/g)。MOFs 材料常被用于气体的吸附分离以及非均相催化,而刘彬教授与霍封蔚教授课题组发现MOFs亦可作为光敏化剂,通过增加可见光的吸收利用从而提高光电化学水分解反应体系的光能转化效率,相关结果已发表在Advanced Science上。

研究发现相较于传统的光敏化剂,MOFs有着不可比拟的优势。首先,由于MOFs结构中含有大量的有机配体分子,使得其可见光的响应及催化性能在分子水平可控。通过配体分子的有机官能团修饰,钛基MOFs的可见光吸收可红移至500 到650 nm。再者,MOFs中稳定存在的微孔结构使得其可作为基质材料用于合并其他有用的成分(如其他类别的光敏化剂或催化剂分子),从而进一步提高体系的可见光吸收、转化及利用效率。作者成功将金纳米颗粒填充至MOF层中,由于金纳米颗粒的表面等离子体共振效应,实现了额外的可见光吸收并增强了电子传输效率。

此研究证实了MOFs可作为光敏化剂用于光电化学水分解反应从而提高光能转化效率,同时拓宽了MOFs材料的应用范围,有望促进新型MOFs材料的合成及其在光能转化领域的研究。