Small Science: 金属有机骨架复合材料用于太阳能驱动水分解的研究进展

太阳能驱动水分解是一种颇有前景的可持续制氢的方法,而探索和开发高效的半导体光催化剂对于实现该制氢途径具有重要意义。理想的光催化剂应具有价格低廉,储量丰富且毒性较小等特点。传统使用的光催剂材料主要限于无机半导体材料如TiO2,Cu2O等。然而,这些材料也具有一些固有缺陷,包括宽带隙,低电荷迁移率,严重的载流子复合等,这限制了它们将太阳能转化成氢能的效率。为了克服以上挑战,一种有前途的策略是通过设计复合光催化剂将具有不同优势的半导体结合到一起。金属有机骨架(MOF)材料是一类快速发展的新材料,它具有较大的比表面积、多样的结构:这为制备基于MOF的复合光催化剂提供了一个很好的机会。

图1 通过引入有机配体,与量子点和碳基材料结合,或在半导体光电极上涂覆MOF层等策略来制备高效MOF复合光催化剂。

近期,昆士兰大学王连洲教授团队在Small Science上综述了近几年MOF/半导体复合材料在太阳能驱动水分解制氢方面的研究进展(论文信息附后)。该工作首先概述了光催化和光电催化的水分解基本工作原理,介绍了包括光收集,电荷分离和迁移以及最终的表面反应这三个基本步骤,并就上述步骤中影响太阳能到氢能转化效率的因素展开一定讨论。进一步,综述中介绍了MOF的结构特征及光电性质,包括可控的孔隙大小,丰富的活性位点和可调节的光学带隙。结合不同实例,本综述展示了用于光催化和光电催化的MOF /半导体复合光催化材料的设计。在光催化分解水的研究方面,作者综述了不同的催化剂设计方式,其中包括调控有机配体增强MOF/半导体复合材料的光吸收能力,与量子点和碳基材料结合以形成更高效的复合光催化剂以及MOF衍生的碳基催化剂的应用。对于光电催化研究,本文综述了将MOF薄膜与传统金属氧化物半导体光电极相结合制备高效光电极的最新进展。最后为了进一步推动这一新兴领域的发展, 文中还讨论了用于太阳能驱动制氢的MOF /半导体复合光催化剂在稳定性、效率以及反应机理等方面存在的挑战和未来展望。这篇综述期望为设计新的复合光(电)催化材料提供新思路与新方法,以实现更高效的太阳能驱动水分解。

论文信息:

Metal–Organic Framework‐Based Materials for Solar Water Splitting

Xianlong Li, Zhiliang Wang,* Lianzhou Wang*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202000074