金属-有机框架材料在光电催化水分解领域的研究进展

光催化分解水是将太阳能转化为化学能的有效手段之一. 相比于粉末光催化, 采用H型电解池的光 电催化方法具有材料选择范围大、 载流子迁移和分离效率高、 电极易于回收等优点. 近年来, 金属有机框架 材料(MOFs)在光电催化水分解领域得到越来越多的应用. 相比于传统无机催化剂, MOFs光电极具有比表面积大、 结构易于调控等独特优势. 本文按照MOFs的应用形式分为纯MOFs、 MOFs与其它催化剂的复合结构和MOFs衍生物3类, 总结了近年来MOFs在光电催化水分解领域的研究现状和进展, 介绍了光催化/电催化领域的部分典型研究成果, 最后讨论了MOFs在光电催化水分解领域研究的重点和热点, 并对其未来发展做出了展望.     

金属-有机框架衍生的多功能光催化剂

在光催化过程中,光催化剂被太阳能激发产生光生电子和空穴,来实现环境净化或能量转换,是应对全球变暖和能源短缺的有效途径之一.然而,光催化技术面临的主要瓶颈问题是光生载流子的低分离效率和高反应能垒.而催化剂本身的特性对这一点起到了决定性的作用.因此,催化剂的合理设计和改性是提高光催化效率的关键.金属有机框架(MOFs)是一类由金属节点和有机配体组成的新型结晶多孔材料.基于结构多样性、超高比表面积、形状和尺寸可调的纳米孔或纳米通道等优异的特性,MOFs基材料在光催化领域引起了广泛关注.然而,MOFs的主要问题之一是低导电性和稳定性,这限制了其更广泛应用.正是由于MOFs的不稳定性,其可以作为牺牲模板制备纳米材料.由MOFs衍生的纳米材料继承了MOFs的优异特性,同时避免了MOFs较差的导电性和稳定性的问题.并且可以通过选择特定的金属节点和有机配体对MOFs衍生的纳米材料进行调控,从而实现光催化剂的多功能性.因此,MOFs衍生物在光催化领域展现出更广阔的应用前景.而且MOFs衍生物不仅可以作为半导体光催化剂,还可以作为光催化析氢、CO₂还原、污染物降解等反应的助催化剂.本文重点介绍MOFs衍生物在光催化领域的多功能应用.从MOFs衍生物的制备、修饰和应用等方面对近年来的研究进行了分析和总结.最后,对MOFs衍生物应用于光催化领域的挑战进行了分析,并对未来发展和机遇进行了展望,以期为该领域的进一步研究提供更多参考,并带来新的启示.     

MOFs光催化材料的设计和调控（英文）

环境污染和能源短缺是制约当今社会发展的重大问题.光催化技术可直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应,具有能耗低、反应条件温和、无二次污染等优点,是解决这一问题的有效途径.实现这个过程的关键在于寻找设计高效的光催化剂.目前,光催化材料主要由无机半导体组成,其结构的改造和修饰难度很大,难以根据实际需要来控制其大小、形状以及物理化学特性.而有机化合物具有优良的分子剪裁与修饰的功能,但它们却在坚固性与稳定性等方面具有明显的缺点.因此如果能发展既具有无机化合物的稳定性又具有有机化合物的可剪裁与修饰性的新型光催化材料,无疑将促进光催化的发展和应用.金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)正是这样一类结合了无机物的稳定性和有机物的可修饰性的杂化材料.MOFs是一类以金属阳离子为节点、有机配体为连接体的多孔配位聚合物的总称.这类材料不仅拥有超高的比表面积、丰富的拓扑结构,而且其结构兼具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,在气体吸附储存、分离、传感等领域都有广泛的应用.在催化领域MOFs也显示出巨大的应用前景:(1)比表面积大,有利于对反应底物的吸附,促进催化反应的进行;(2)组成多样,结构具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,通过对其金属单元或者配体进行改变修饰,可以实现对MOFs结构和性能的调变;(3)MOFs中金属-氧单元之间由有机配体隔开,相当于分立的半导体量子点,在反应中不易发生团聚.并且各个分立的金属-氧单元之间可能存在协同效应,有利于保持催化剂的稳定性和产生高的催化活性.因此,MOFs材料是一类非常有潜力的异相催化剂.光催化是一类典型的多相催化技术,与传统半导体光催化材料相比,MOFs由于具有可在分子水平进行灵活调控的优点,在光催化领域的应用更有优势.此外,MOFs结构上的确定性为研究催化剂的界面电荷迁移和光催化机理提供了便利条件,通过对其构-效关系的研究和光催化反应机理的探索反过来有助于我们从微观尺度上进一步认识光催化的本质.MOFs材料在光催化领域已经有了初步的研究.越来越多的MOFs材料被成功应用于光催化降解染料、选择性转化有机物、光解水制氢和CO2还原等反应.典型的有MOF-5、Ui O-66和MIL-125系列等.近年来,已有少量的文献综述了MOFs这类材料在光催化领域的研究.这些文献主要围绕MOFs在光催化过程中所起到的作用,比如作为催化剂、助催化剂或载体来展开;或者是从MOFs的光催化应用领域,比如污染物降解、产氢、二氧化碳还原、有机物转化来分类展开.本文围绕如何设计合成高效的MOFs光催化剂,综述了近年来国内外关于提高MOFs的光催化性能而开展的相关研究工作,包括理论研究MOFs的能级结构及化学性质、在MOFs配体上修饰官能团调变其能带结构、染料或者金属化合物光敏化MOFs提高其光吸收性能、负载金属/碳材料及半导体复合提高光生载流子的分离效率等.最后,本文对MOFs光催化剂的未来发展趋势进行了展望,强调开发新型的MOFs光催化剂,并加强对MOFs光催化机制的研究,有助于指导现有MOFs催化剂的改良和设计新型光催化剂.     

MOFs光催化材料的设计和调控

环境污染和能源短缺是制约当今社会发展的重大问题。光催化技术可直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应,具有能耗低、反应条件温和、无二次污染等优点,是解决这一问题的有效途径。实现这个过程的关键在于寻找设计高效的光催化剂。目前,光催化材料主要由无机半导体组成,其结构的改造和修饰难度很大,难以根据实际需要来控制其大小、形状以及物理化学特性。而有机化合物具有优良的分子剪裁与修饰的功能,但它们却在坚固性与稳定性等方面具有明显的缺点。因此如果能发展既具有无机化合物的稳定性又具有有机化合物的可剪裁与修饰性的新型光催化材料,无疑将促进光催化的发展和应用。金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)正是这样一类结合了无机物的稳定性和有机物的可修饰性的杂化材料。 MOFs是一类以金属阳离子为节点、有机配体为连接体的多孔配位聚合物的总称。这类材料不仅拥有超高的比表面积、丰富的拓扑结构,而且其结构兼具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,在气体吸附储存、分离、传感等领域都有广泛的应用。在催化领域MOFs也显示出巨大的应用前景：(1)比表面积大,有利于对反应底物的吸附,促进催化反应的进行;(2)组成多样,结构具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,通过对其金属单元或者配体进行改变修饰,可以实现对MOFs结构和性能的调变;(3)MOFs中金属-氧单元之间由有机配体隔开,相当于分立的半导体量子点,在反应中不易发生团聚。并且各个分立的金属-氧单元之间可能存在协同效应,有利于保持催化剂的稳定性和产生高的催化活性。因此, MOFs材料是一类非常有潜力的异相催化剂。光催化是一类典型的多相催化技术,与传统半导体光催化材料相比, MOFs由于具有可在分子水平进行灵活调控的优点,在光催化领域的应用更有优势。此外, MOFs结构上的确定性为研究催化剂的界面电荷迁移和光催化机理提供了便利条件,通过对其构-效关系的研究和光催化反应机理的探索反过来有助于我们从微观尺度上进一步认识光催化的本质。 MOFs材料在光催化领域已经有了初步的研究。越来越多的MOFs材料被成功应用于光催化降解染料、选择性转化有机物、光解水制氢和CO2还原等反应。典型的有MOF-5、UiO-66和MIL-125系列等。近年来,已有少量的文献综述了MOFs这类材料在光催化领域的研究。这些文献主要围绕MOFs在光催化过程中所起到的作用,比如作为催化剂、助催化剂或载体来展开;或者是从MOFs的光催化应用领域,比如污染物降解、产氢、二氧化碳还原、有机物转化来分类展开。本文围绕如何设计合成高效的MOFs光催化剂,综述了近年来国内外关于提高MOFs的光催化性能而开展的相关研究工作,包括理论研究MOFs的能级结构及化学性质、在MOFs配体上修饰官能团调变其能带结构、染料或者金属化合物光敏化MOFs提高其光吸收性能、负载金属/碳材料及半导体复合提高光生载流子的分离效率等。最后,本文对MOFs光催化剂的未来发展趋势进行了展望,强调开发新型的MOFs光催化剂,并加强对MOFs光催化机制的研究,有助于指导现有MOFs催化剂的改良和设计新型光催化剂。     

金属-有机框架材料在光催化二氧化碳还原中的应用

CO₂的过度排放导致全球环境问题日益严重,如何将CO₂有效地利用起来成为全世界的研究热点。相比于高耗能的CO₂捕获和储存(CCS)技术,通过催化反应将CO₂转化为有价值的能源燃料是同时解决能源危机和环境问题的有效途径。其中,使用太阳能作为能量来源的光催化CO₂还原技术更具应用前景。但是目前CO₂光还原催化剂仍然存在很多缺点,如可见光响应能力低、光生电子空穴对复合严重、CO₂吸附量小、产物的选择性低以及在含水环境中的产氢竞争反应等。金属-有机框架(MOFs)是由金属离子/簇和有机配体构成的一类独特的多孔晶态材料,具有可调的多孔结构、电子迁移速度快、CO₂吸附量大等优点,在光催化CO₂还原领域具有广阔的应用潜力。现有方法主要是通过对MOFs的功能化修饰、与其他功能型材料复合等获得高效的光还原CO₂的催化性能。本文主要对近年来MOFs基CO₂光还原催化剂(单一MOFs、MOFs基复合材料以及MOFs衍生材料)的研究现状进行了分析和讨论,并对MOFs材料在光催化CO₂还原中的发展趋势进行了展望。     

金属有机骨架材料在催化中的应用

金属有机骨架(MOFs)材料是一种相对新型的多孔材料,由于其结构的多样性、可设计性、可剪裁性以及超高的比表面积,近年来吸引了广泛的研究兴趣,并在很多领域展现了潜在的应用前景.特别是在催化方面的应用更受到了强烈的关注.本文的前两部分主要以催化活性位点的来源进行分类,包括配位不饱和金属中心、功能性有机配体、化学修饰接入功能位点以及嵌入在MOFs孔内的金属配合物或金属纳米颗粒等,总结了近几年来MOFs及其复合材料在多相催化方向取得的一些进展.同时在后面两部分也简要地介绍了MOFs在光催化及以MOFs为模板构筑的多孔纳米材料在催化(特别是电催化)方面的一些应用.最后,对MOFs在催化方面的应用前景做了展望.     

石墨烯/金属-有机框架复合材料制备及其应用

金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是由金属离子与有机配体通过配位键连接而成的高度有序多孔网络框架。MOFs具有比表面积大、孔径可调、结构多样等特性,在材料、环境以及生物医药等领域的应用具有潜在的优势。但是,MOFs存在易水解、稳定性较低、导电性差以及不易加工等缺点,与其他材料复合是改善其性能的有效途径之一。石墨烯具有突出的化学稳定性、良好的导电性、光学特性和力学特性等性能。石墨烯与MOFs的复合可有效提高和改善MOFs光电性能、稳定性以及可回收利用性。本综述介绍了原位生长法、界面生长法和共混成型法等石墨烯/MOFs复合材料的制备方法。进一步论述了其在气体分离与存储、水体净化、化学传感器和催化剂领域的应用。最后,对石墨烯/MOFs复合材料制备技术的开发及其潜在应用进行了总结和展望。     

以MOFs为前驱体的多孔金属氧化物催化剂研究进展

多孔金属氧化物具有高比表面积、大孔径、特殊的形貌和结构特性,广泛应用于催化、锂离子电池、太阳能电池、气敏传感器等领域。金属有机骨架材料(MOFs)是一类具有周期性网络结构的新型多孔晶体材料,在气体存储、气体分离、催化等领域具有重要的应用价值。近年来,以MOFs为前驱体制备多孔碳和多孔金属氧化物成为MOFs应用领域一个新的研究热点。本文主要综述了以MOFs为前驱体制备的多孔金属氧化物和多孔金属氧化物/碳复合物在CO氧化、催化产氢、异丁烷脱氢、环已烯氧化、醇直接氧化为酯、醛氧化酰胺化反应、光催化降解有机物和氧还原反应等方面的应用。     

Fe-MILs系可见光响应复合材料在光诱导反应中的应用研究进展

能源危机和环境问题已成为人类社会面临和亟待解决的两个重大问题。光催化技术被认为是解决能源危机和环境问题有效方法之一。来瓦希尔骨架材料（MILs）是一类著名的金属骨架有机材料（MOFs）。Fe-MILs是MILs系列材料中一个重要的分支,其带隙宽度约为2.39 eV ~ 2.79 eV,能被可见光激发。然而,Fe-MILs存在光的利用率低、导电性差、光生电子-空穴复合快、光腐蚀等缺点。近年来,研究者们采用多种方法对Fe-MILs进行改性,制备了很多Fe-MILs衍生的可见光响应复合材料,并将这些材料成功用于光诱导反应。本文主要综述了近年来Fe-MILs衍生的可见光响应复合材料在水的分解、CO2还原、有机物转化、光催化固氮等多个领域的应用研究,并对Fe-MILs光催化剂的发展提出了建议。     

金属有机框架材料在环境化学中的研究进展

金属有机框架(MOFs)是一类由有机桥连配体与无机金属中心通过自组装形成的新型多孔材料.相比传统的多孔材料,MOFs具有比表面积高、孔径均一、结构可调节等优点,在基础理论研究和实际应用方面都表现出巨大的潜力.近年来,环境问题日益突出,开发新型材料解决环境问题迫在眉睫,MOFs材料在环境化学中的应用受到了广泛关注.本文主要介绍MOFs材料在催化、气体存储、气体吸附与分离、气敏传感和水体净化等多个领域的理论研究与应用现状,并进一步讨论了MOFs材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

金属有机骨架复合材料在样品预处理中的研究进展

金属有机骨架（MOFs）材料是近几年涌现出的一类新型多功能多孔材料,以金属离子或金属簇为配位中心,与含氧或氮的有机配体通过配位作用形成多孔骨架结构。相比于其他传统无机多孔材料,MOFs具有比表面积高、孔隙率大、热稳定性好和结构与功能多样化的特点,因而被广泛用于气体存储、催化、吸附和分离等领域。MOFs复合材料在样品预处理方面的应用引起了研究者们的极大兴趣和广泛关注。由于MOFs材料和不同功能材料如高分子聚合物、碳基材料以及磁性材料组装复合,使MOFs复合材料的性能优于原来的MOFs材料。综述了近年MOFs复合材料在样品预处理的研究应用,尤其是在固相微萃取、固相萃取以及磁性固相萃取等方面的应用。     

金属-有机骨架材料的改性方法及其光催化制氢应用

能源问题一直是关乎人类命运的重要问题,光催化制氢被认为是有望解决这一问题的潜在途径之一.金属有机框架(MOFs)由于其多孔、高比表面积、带隙可调等特性,在光催化制氢方面得到了广泛关注.我们综述了近些年来在金属-有机骨架材料光催化制氢领域的各种改性方法 ,包括修饰有机连接配体、修饰金属中心、金属纳米粒子沉积、染料敏化与其他功能材料结合等.概括了改性后的MOFs光催化制氢性能,指出了MOFs基光催化制氢存在的问题和可能的解决思路,并展望了MOFs基光催化制氢剂的绿色未来.     

量子点@金属有机骨架材料的制备及在光催化降解领域的应用

金属有机骨架（Metal-organic Frameworks,MOFs）材料与传统的多孔材料相比,具有结构有序且多样、可调控的孔径尺寸和超高的比表面积等特点,使其在光催化领域得到了广泛的关注。同时,纳米荧光材料量子点（Quantum Dots,QDs）具有良好的光学特性且能够将近红外光转换为可见光,进而可以促进对占太阳光谱较大比例的可见光的吸收,它的出现也推动了光催化领域的发展。但二者作为单一相催化剂本身都存在缺点,限制了其作为光催化剂的进一步应用与发展。近年来,研究者发现将QDs和MOFs材料有效结合形成复合型光催化剂是提高单一相催化剂光催化性能的途径之一,并进行了初步研究,结果表明其催化性能大大提高,在解决环境问题方面有着广阔的应用前景。本文综合国内外现状,围绕QDs@MOFs复合型光催化剂的制备及在光催化降解领域的应用及发展进行了综述。本文还提出了在研究QDs@MOFs复合型光催化剂过程中应注意的关键性问题以及对未来的发展趋势进行了展望。     

金属有机框架(MOFs)基光催化剂的设计及其在太阳能燃料生产和污染物降解领域的研究进展（英文）

金属有机骨架(MOFs)具有较高的比表面积,丰富的金属/有机物种,较大的孔体积以及结构和成分可调节的特性,因此在太阳能燃料生产和污染物的光降解领域具有广泛的应用.根据其结构特点,研究者们主要从有机配体和孔道结构两方面对MOFs进行调控:(1)对有机配体进行修饰,如将杂原子、羟基、卤素原子、金属离子、生物大分子等引入MOFs结构;(2)将无机纳米粒子引入MOFs孔道内,如将贵金属、金属氧化物、多金属氧酸盐等纳米粒子封装在MOFs的孔道内.这些策略可有效增强MOFs的导电性、稳定性等,并进一步提高MOFs基催化剂的光催化性能.本文首先概述了四种经典MOFs类型,即UiO, ZIF, MIL和PCN系列的结构特点和催化性能.其次,总结了在设计MOFs基光催化材料过程中,根据不同类型MOFs特点着重考虑的五方面因素,即稳定性、能带结构、吸附作用、选择性和电导性.再次,讨论了提高MOFs基光催化剂活性的策略,如助催化剂修饰、构建异质结、配体或金属中心修饰和缺陷工程.最后,总结了MOFs基光催化材料在催化还原CO_2、分解水制氢和降解有机污染物反应中的应用进展及影响其催化性能的主要因素.尽管MOFs基光催化材料研究已经取得了令人瞩目的进展,但对MOFs基光催化剂进行可控设计制备仍然存在挑战.如何实现纳米MOFs基光催化材料的制备与规模化生产、可调缺陷MOFs基光催化材料的精准设计、开发高稳定性的MOFs基光催化材料等仍需进一步探索.因此,未来需要从MOFs的纳米化合成、复合材料界面结构的精准调控、催化活性机制与稳定性关系等方面对MOFs基光催化材料进行深入的研究.     

基于金属-有机骨架前驱体的先进功能材料

由于金属-有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)结构中含有碳源(有机配体)和金属源(金属或金属簇)物质,以MOFs为前驱体合成先进功能材料,如纳米多孔碳材料和金属氧化物纳米材料,是目前MOFs化学以及新功能材料研究领域一个新的热点。本文综述了近年来以MOFs为前驱体制备碳材料(纳米多孔碳材料、碳纳米点、碳纳米管等)、金属氧化物纳米材料(单金属氧化物Fe2O3、Zn O、Co3O4、Mg O、In2O3等;多金属氧化物纳米复合材料Gd2O3/Eu2O3、Fe2O3@Ti O2等)、金属氧化物/碳纳米复合材料(Fe3O4/C、Zn O/C等)等的合成方法,以及这些先进功能材料在超级电容器(supercapacitor)、氧还原反应(ORR)催化剂、氢气吸附、CO2捕获、光催化制氢催化剂等研究领域的应用,并对其今后的发展进行了展望。     

金属有机框架(MOFs)基光催化剂的设计及其在太阳能燃料生产和污染物降解领域的研究进展

金属有机骨架(MOFs)具有较高的比表面积,丰富的金属/有机物种,较大的孔体积以及结构和成分可调节的特性,因此在太阳能燃料生产和污染物的光降解领域具有广泛的应用.根据其结构特点,研究者们主要从有机配体和孔道结构两方面对MOFs进行调控:(1)对有机配体进行修饰,如将杂原子、羟基、卤素原子、金属离子、生物大分子等引入MOFs结构;(2)将无机纳米粒子引入MOFs孔道内,如将贵金属、金属氧化物、多金属氧酸盐等纳米粒子封装在MOFs的孔道内.这些策略可有效增强MOFs的导电性、稳定性等,并进一步提高MOFs基催化剂的光催化性能.本文首先概述了四种经典MOFs类型,即UiO,ZIF,MIL和PCN系列的结构特点和催化性能.其次,总结了在设计MOFs基光催化材料过程中,根据不同类型MOFs特点着重考虑的五方面因素,即稳定性、能带结构、吸附作用、选择性和电导性.再次,讨论了提高MOFs基光催化剂活性的策略,如助催化剂修饰、构建异质结、配体或金属中心修饰和缺陷工程.最后,总结了MOFs基光催化材料在催化还原CO₂、分解水制氢和降解有机污染物反应中的应用进展及影响其催化性能的主要因素.尽管MOFs基光催化材料研究已经取得了令人瞩目的进展,但对MOFs基光催化剂进行可控设计制备仍然存在挑战.如何实现纳米MOFs基光催化材料的制备与规模化生产、可调缺陷MOFs基光催化材料的精准设计、开发高稳定性的MOFs基光催化材料等仍需进一步探索.因此,未来需要从MOFs的纳米化合成、复合材料界面结构的精准调控、催化活性机制与稳定性关系等方面对MOFs基光催化材料进行深入的研究.     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展（英文）

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO_2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO_2,具有可见光下光解纯水能力的In_(0.9)Ni_(0.1)TaO_4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO_3,CdS以及(AgIn)_xZn_(2(1-x))S_2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.     

高效氧催化反应中的金属有机骨架材料（英文）

氧电催化反应包括氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER).作为核心电极反应,这两个反应对诸多能源存储与转换技术(比如燃料电池、金属空气电池以及全水分解制氢等)的能量效率起决定性作用.然而,ORR和OER涉及多个反应步骤、多个电子转移过程以及多相界面传质过程.这些复杂的过程较大程度上限制了ORR和OER的反应速率.从理论和实践两个方面来看,ORR和OER都需要高效电催化剂的参与来促进其反应速率,从而能够最终提高上述能源存储与转换技术的能量转换或利用效率.目前,以Pt,Pd,Ir,Ru为代表的贵金属基电催化剂具有十分突出的电催化性能.但是,过高的成本和过低的储量始终制约着贵金属基电催化剂在催化ORR和OER反应方面,乃至在能源存储与转换技术领域的规模化应用.因而,开发高效非贵金属基氧电催化剂成为近年来能源存储与转换领域的研究重点之一.在众多已经报道的非贵金属基氧电催化剂中,金属有机骨架材料(MOFs)备受瞩目.MOFs是一类由有机配体和金属节点通过配位键自组装而成的晶态多孔材料.它们具备超高比表面积、超高孔隙率以及规则性纳米孔道.相比较其他传统的多孔材料(比如活性炭、分子筛、介孔炭、介孔氧化硅等),MOFs最主要的优势在于它们的结构和功能可以依据需求通过选择合适的有机配体和金属节点进行便利地设计,或通过后处理进行必要的改性和调节.基于独特的多孔特性以及结构与功能的可设计、可调节性,MOFs在气体分离与存储、异相催化、化学传感、药物输送、环境保护以及能源存储与转化等领域都具有潜在的应用价值.因而,近年来,MOFs备受基础研究领域和工业界的青睐.针对MOFs开展的基础研究和应用开发逐渐成为诸多领域的研究焦点.也正由于MOFs具有的上述优异特性,尤其是结构与功能的可设计、可调节性,使得设计制备基于单纯MOFs以及MOFs衍生材料成为开发高效非贵金属基氧电催化剂的新途径.本综述首先论述了基于单纯MOFs的氧电催化剂(包括纯MOFs、活性物种修饰的MOFs以及与导电材料构成的复合MOFs)的合成以及它们在ORR或OER催化反应中应用的研究进展.在第二部分论述中,本综述主要针对MOFs衍生的各类氧电催化剂(包括无机微米-纳米结构/多孔碳复合材料、纯多孔碳材料、纯无机微米-纳米结构材料以及单原子型电催化材料)的研究进展进行了简要介绍和讨论.最后,本综述对MOFs基氧电催化剂目前存在的挑战进行了简要分析;同时,也对这类氧电催化剂的通用设计准则以及未来发展方向进行了展望.尽管存在诸多挑战,MOFs始终被认为是极好的"平台"材料.充分利用它们将有利于开发高效且实用的非贵金属基氧电催化剂.     

新颖CdMoO4/g-C3N4复合材料的制备及其可见光增强的电荷分离和光催化活性（英文）

半导体光催化技术因其能够完全矿化和降解废水以及废气中的各种有机和无机污染物而受到越来越多研究者关注.尽管TiO2作为光催化剂显示了良好的应用前景,但其只对紫外光响应,该部分能量大约仅占太阳光谱的5%,从而限制了其实际应用.因此,开发新型可见光响应光催化剂成为光催化领域的研究焦点之一.石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种光催化材料,由于具有良好的热和化学稳定性以及可见光响应而备受关注.然而,单纯的g-C3N4由于光生电荷载流子易复合,光催化效果并不理想.为进一步提高g-C3N4的光催化活性,构建g-C3N4基异质结复合光催化材料被认为是增强g-C3N4光生电子-空穴分离效率的有效方法.CdMoO4作为一种光催化材料,与g-C3N4匹配的能带有利于光生电子-空穴的分离,从而提高g-C3N4的光催化活性.本文通过便利的原位沉淀-煅烧过程,制备了新颖的CdMoO4/g-C3N4异质复合光催化材料.复合材料的晶相构成、形貌、表面化学组分和光学特性等通过相应的分析测试手段进行表征.光催化活性通过可见光下催化降解罗丹明B水溶液来评价.结果显示,将CdMoO4沉积在g-C3N4表面形成复合材料可明显提高光催化活性,且当CdMoO4含量为4.8 wt%时达到最佳的光催化活性.这种显著增强的光催化活性可能是由于CdMoO4/g-C3N4复合物能够有效地传输和分离光生电荷载流子,从而抑制了光生电子-空穴的复合.电化学阻抗、瞬态光电流和稳定荧光光谱测试结果证实,通过CdMoO4与g-C3N4复合可有效增强电荷分离效率.此外,活性物捕获实验表明,在光催化过程中空穴(h+)和超氧自由基(?O2?)是主要活性物种.根据莫托-肖特基实验并结合紫外-可见漫反射吸收光谱,得到了单纯g-C3N4和CdMoO4的能带结构,提出了形成的II型异质结有助于增强光催化活性的机理.     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO2,具有可见光下光解纯水能力的In0.9Ni0.1TaO4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO3,CdS以及(AgIn)xZn2(1-x)S2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.