Small Science:提升MOFs基光解水催化剂性能研究新进展

随着过去半个世纪以来世界人口的爆炸性增长和工业化的飞速发展,传统化石能源的广泛使用不仅造成了许多环境问题,而且在一定程度上引发了能源危机。利用太阳能实现高效的太阳能热转换和光电转换,是解决未来能源危机的最主要策略之一。近年来,光催化分解水制氢被认为是未来新能源技术发展的新趋势。然而,载流子复合严重、太阳光利用效率低以及活性位点缺失一直以来制约着催化剂的光解水活性,因此开发功能可调的新型光解水催化剂具有重要的意义。金属-有机框架(MOFs)材料是一类由金属或者是金属簇与有机配体桥连而成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料。相比于传统的半导体材料,它具有以下几点优势:1)具有超高表面积,有利于底物的富集和扩散,使反应物能够迅速移动到活性位点处。2)结构可调,功能多样,使其能够通过配体修饰和金属交换等手段拓宽光吸收范围,调变能带结构。3)具有长程有序的结构,有利于电荷的转移。4)最后,其晶体本性有利于研究者们对其光催化机理进行研究。因为以上优点,近些年,MOFs材料被逐渐应用于光解水制氢领域,并被研究者们认为是一类非常具有开发价值的光解水催化剂。因此对MOFs基光解水催化剂进行系统地总结是十分有必要的。

辽宁大学清洁能源化学研究院孙晓东博士和澳大利亚斯威本理工大学马天翼教授等系统地总结了提升MOFs基光解水催化剂性能的策略。

该论文首先系统地概述了光催化水分解基本原理。接下来又对MOFs基光催化材料进行了系统地分类,其主要包括纯MOFs光解水催化剂、MOFs复合物光解水催化剂和MOFs衍生物光解水催化剂。然后基于MOFs材料的两个主要优点总结了提高MOFs基复合材料太阳能驱动水分解制氢性能的多种策略: 1)可调控的结构特性(配体功能化、金属掺杂、缺陷工程和形貌调控等策略);2)独特的孔隙度和大比表面积特性(负载客体分子共催化剂、光敏剂、构造异质结构和作为构建多孔传统半导体的模板等策略)。最后,本文提出了MOFs基催化材料在光催化氢气还原面临的主要挑战和未来发展前景,希望这篇综述会对那些想在未来研究基于MOFs材料的光解水催化剂的科研工作者有所帮助。

论文信息:

Strategies for Optimizing the Photocatalytic Water Splitting Performance of MOFs-Based Materials

Kailai Zhang, Haijun Hu, Litong Shi, Baohua Jia, Hongwei Huang, Xiaopeng Han, Xiaodong Sun*, Tianyi Ma*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100060

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100060