马天翼&朱运培Angew. Chem. Int. Ed. : 分级多孔膦酸钛基 MOFs及其增强光催化制氢性能研究


【引言】

相比于纯粹的无机或有机材料,金属有机框架(Metal-Organic Frameworks: MOFs)是由无机金属中心/团簇和有机基团按照周期紧密排列而成,其中的有机组分可以使MOFs多功能化。通过改变其中的金属或有机官能团,不仅可以随时调整MOFs的表面功能,而且还能改变其光吸收性能。

具有可控孔隙度的金属膦酸盐是一类特殊的非晶态MOFs材料,其中最具代表性的材料是膦酸钛。由于强力的R-P-O-金属键(R为有机官能团),金属膦酸盐具有相当好的稳定性。此外,由于均匀掺入磷和碳物种,膦功能基团的引入可以将膦酸钛的光吸收边拓展至可见光区域,明显优于原始的二氧化钛材料。尽管金属膦酸盐在能源相关领域,如质子导体和有机污染物光降解,已有一定的应用,但迄今为止金属膦酸盐用于光催化制氢尚未见报道。

【成果简介】

近日,以辽宁大学为第一单位,李慧博士以及马天翼博士(通讯作者)朱运培博士(通讯作者, 沙特阿卜杜拉国王科技大学)等以聚电解质和阴极表面活性剂混合物作为模板,合理设计了完整、大次级介孔的球状分级介孔膦酸钛基MOF光催化剂(HM-TiPPh),并在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Titanium Phosphonate Based Metal-Organic Frameworks with Hierarchical Porosity for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution”的研究论文。结构良好的分层孔以及均匀引入的膦酸基团有利于光催化反应中的传质和光吸收。相应地,膦酸钛光催化制氢速率显著提高,并且稳定性良好。这项工作可为设计用于能量转换的新型MOFs催化剂提供新的视角。

【图文简介】

图1 HM-TiPPh的形貌和晶体结构

a,b) HM-TiPPh的SEM图像;

c,d) HM-TiPPh的TEM图像;

e) HM-TiPPh的小角和广角XRD谱图;

f) HM-TiPPh的N2吸附-脱附等温线(内插:相应的孔径分布曲线)。

图2 HM-TiPPh的制备过程

双模板法制备分级多孔膦酸钛过程示意图。

图3 HM-TiPPh的化学组成和表面元素价态

a) HM-TiPPh的31P MAS NMR谱图;

b) HM-TiPPh的13C MAS NMR谱图;

c) HM-TiPPh的Ti 2p高分辨XPS谱图;

d) HM-TiPPh的P 2p高分辨XPS谱图。

图4 HM-TiPPh的光催化制氢性能以及载流子分离

a) TiO2和HM-TiPPh的UV/Vis漫反射光谱(内插:相应的Tauc图);

b,c) 光催化剂在可见光和模拟太阳光照射下的制氢性能;

d) HM-TiPPh在可见光的长期稳定性测试;

e) HM-TiPPh、M-TiPPh和TiO2的光电流响应曲线;

f) HM-TiPPh、M-TiPPh和TiO2的PL发射曲线。

【小结】

研究人员通过双模版方法制备了分级介孔膦酸钛,其高比表面以及有序的介孔结构为电解质和产物的快速传输提供了一条顺畅的途径。独特的结构以及良好的光吸收性能使得催化剂具有良好的光催化析氢性能。该研究为设计活性优异的新型催化剂提供了新方法,研究者将进一步通过优化相反电荷的表面活性剂合成具有不同介孔结构的分级结构多孔材料以实现更为先进的催化剂体系。

文献链接: Titanium Phosphonate Based Metal-Organic Frameworks with Hierarchical Porosity for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201712925)

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