Advanced Functional Materials光与电的完美邂逅:金属有机框架结构衍生Ru/N-TiO2/C催化剂助力高效光/电催化HER

利用太阳能或电能等清洁能源高效分解水制取氢气(HER)对未来新能源格局的形成和发展具有重要意义。无论是光催化还是电催化HER过程,催化剂在整个反应中都起着至关重要的作用。虽然遵循不同的HER反应机理,光催化剂和电催化剂在化学组分的选择上却存在一定的交集。例如,Pt基材料既能作为高效电催化剂使用,又能充当助催化剂在光催化反应中加速光生电荷的转移和分离。因此,探索和设计功能组分整合的催化材料将有望实现光/电协同助推HER催化效率大幅提升。

MOFs具有可灵活调变的结构和组分且易于功能化,其固有的周期性孔结构和超大的比表面积十分有利于限域制备超细金属纳米粒子/团簇,这为构筑多功能催化材料提供了良好的基础。同时,功能化MOFs中丰富的不饱和配位点和缺陷位点能够有效的稳定客体金属离子,从而避免金属离子在后续热解过程中发生严重的聚集和迁移,进而能够获得尺寸均匀的纳米级甚至原子级分散的金属-载体催化材料,最终实现多组分及功能化MOFs衍生催化材料的精准设计合成。

氨基功能化的金属有机框架结构(NH2-MIL-125)中存在大量不饱和配位点和丰富的孔结构,利用该结构对客体Ru3+离子的稳定作用,北京航空航天大学张瑜课题组通过精确调节Ru物种的存在形式和分散状态,设计出一种MOFs衍生的Ru/N-TiO2/C纳米复合材料,其在光/电催化析氢(HER)反应中均表现出优异活性。实验结果表明,由于MOFs和Ru3+离子间的强相互作用,初始Ru3+离子浓度在很大程度上决定了热解后N-TC载体的形貌和缺陷结构,并能够间接影响并调节产物中Ru物种的存在形式和分散状态。相比于Ru单原子分散的Ru-SAs@N-TC催化剂,Ru纳米粒子与单原子共存的复合催化剂Ru-NPs/SAs@N-TC具有更大的比表面积,而且Ru纳米粒子与单原子之间协同提升的本征反应活性促使其在光催化和电催化HER中表现出更为出色的催化性质。此外,在光辅助电催化HER测试中两个样品的活性均表现出进一步的提升,说明光生电荷对加速电催化反应有很大贡献,展现出了一定的结构优势。相关研究成果为设计构筑高效、多功能催化材料提供了新思路,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202003007)上。