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金属有机骨架材料(MOFs)光催化和电催化应用研究取得新进展

时间:2015-10-21 01:13:05 来源:合肥微尺度物质科学国家实验室|http://www.hfnl.ustc.edu.cn
  金属有机骨架材料(MOFs)是由金属离子/簇与有机配体以高度有序的方式连接而成的一类多孔材料。因其结构上的多样性、多孔性、可剪裁性以及超高比表面积等优异特性,近年来MOFs在诸多研究领域呈现出潜在的应用前景,深度研发其功能应用已成为当今的研究热点。

  最近,中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室江海龙教授研究组通过与张群教授、俞书宏教授、罗毅教授以及福州大学李朝晖教授开展合作,针对光活性无机半导体材料在光催化CO2过程中吸附CO2能力弱的难题,提出了采用广谱吸光MOFs在其有效富集CO2的同时将CO2光催化还原为有用化学品的策略。研究人员选择了一种由卟啉四羧酸配体与锆离子构筑的MOF(PCN-222),通过有效整合CO2捕获与可见光光催化双功能于一体,实现了从CO2到甲酸根离子的高效/高选择性转化。研究表明,PCN-222光还原CO2的活性远高于其卟啉四羧酸配体(分子催化剂)。其合作者张群教授研究组通过细致解读超快瞬态光谱和稳态/瞬态荧光光谱数据,发现PCN-222骨架中存在的一类长寿命电子陷阱态在有效抑制光生电子-空穴复合方面的微观动力学机制,从而揭示了该MOFs材料光催化转化效率与光生电子-空穴分离效率之间的关系。这项研究工作不仅有助于加深对MOFs光催化过程中光生载流子作用机制的理解,也为后继研发更为高效的MOFs光催化剂开拓了新的视野。相关研究论文以“Visible-Light Photoreduction of CO2 in a Metal-Organic Framework: Boosting Electron-Hole Separation via Electron Trap States”为题发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b08773);论文共同第一作者为博士生徐海群和胡嘉华。


 
  另一方面,以MOFs为模板构筑多孔碳材料近年来也倍受关注。然而,使用MOFs作为前驱体,获得集诸多优点于一身的多孔碳材料并产生优越的电化学性能,目前仍有很大的挑战。江海龙教授研究组通过与熊宇杰教授组、俞书宏教授组开展合作,设计合成了一系列与ZIF-8及ZIF-67具有相同拓扑构筑的、基于不同Zn/Co比例的双金属MOFs(BMZIFs),发现以BMZIFs为模板高温煅烧得到的多孔碳材料能够有效结合ZIF-8和ZIF-67各自碳化产物的优势,从而同时具备高比表面积、高孔结构和分等级大小孔道、均匀氮掺杂、CoNx活性位以及高石墨化程度等特性。研究表明,具备最优Zn/Co比例的BMZIF-20煅烧获得的多孔碳氧还原反应(ORR)活性与商业化的Pt/C催化剂相当;而进一步P掺杂后的催化剂ORR性能(活性、循环稳定性以及甲醇耐腐蚀性)更是优于Pt/C及几乎所有MOFs基碳电极材料,其半波电位高达-0.12 V(vs. Ag/AgCl)。这项研究工作为理性设计MOFs基电极材料提供了新的思路。相关研究论文以“From Bimetallic Metal-Organic Framework to Porous Carbon: High Surface Area and Multicomponent Active Dopants for Excellent Electrocatalysis”为题发表在《先进材料》(Adv. Mater. 2015, 27, 5010-5016)上,并被选为卷首插页。论文共同第一作者为博士生陈玉贞和理化科学实验中心高级工程师王成名博士。
 

  上述工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金、国家青年千人计划、中科院战略性先导专项、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

  相关论文连接:
  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b08773
  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502315/abstract

 
 

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