南開大學(xué)獲新型雙功能高效光催化劑

2016-02-23

光解水產(chǎn)氫和光降解有機物是解決能源短缺和環(huán)境污染兩大世界性難題的有效途徑之一，而光催化劑在其中扮演著十分重要的角色。傳統(tǒng)的光催化劑主要是貴金屬和異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，由于貴金屬的自然儲量有限、價格高昂，異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備成本高，阻礙了其在解決環(huán)境和能源問題上的應(yīng)用。

在尋找新型光催化劑的過程中，金屬有機框架材料因其具有高孔隙率、低密度、大比表面積、孔道規(guī)則等優(yōu)點，迅速成為近年來的研究熱點。然而，金屬有機框架材料通常不具有熱和水的穩(wěn)定性，且耐酸堿能力差，限制了它在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。

趙斌教授、王衛(wèi)超教授聯(lián)合研究團(tuán)隊克服以上困難，成功研獲了一種同時具有光解水產(chǎn)氫和光降解有機物雙功能的新型高效光催化劑——金屬有機框架(以下簡稱MOF-1)。

MOF-1的設(shè)計和制備由趙斌教授研究組完成。該研究組多年致力于新型金屬有機框架材料的設(shè)計和制備研究，具有豐富的設(shè)計經(jīng)驗和完善的實驗條件。研究人員在設(shè)計過程中避免使用貴金屬元素，其成分只包含銅、碳、氮和氫元素，并且通過設(shè)計新的配體得到了很好的熱穩(wěn)定性，通過熱重分析法發(fā)現(xiàn)MOF-1在高達(dá)300攝氏度的高溫下仍可穩(wěn)定存在。

MOF-1光催化性能的理論預(yù)測由王衛(wèi)超教授研究組實現(xiàn)。該研究組長期從事光催化材料的理論計算研究，對光催化的理論機制具有較深的理解。研究人員采用第一性原理計算方法研究了MOF-1的電子特性，發(fā)現(xiàn)它是一種具有2.0電子伏帶隙的半導(dǎo)體，這與實驗中紫外-可見光譜分析所得結(jié)果非常吻合。研究人員結(jié)合麻省理工學(xué)院AronWalsh研究組提出的計算多孔材料功函數(shù)的最新方法，預(yù)測出MOF-1將同時具有光解水產(chǎn)氫和光降解有機物的雙重功能。這在以往的金屬有機框架材料的研究中還未有報道。

在后續(xù)實驗中，研究人員測量了MOF-1光解水產(chǎn)氫的能力。其中以甲醇作為犧牲劑，以H2PtCl6作為助催化劑，在紫外-可見光持續(xù)照射5小時情況下，其產(chǎn)氫率達(dá)到了160?mol/g，這樣高的效率在現(xiàn)有的金屬有機框架材料中十分少見。在進(jìn)一步對MOF-1光降解有機污染物亞甲基藍(lán)的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在可見光照射不到半小時的情況下，亞甲基藍(lán)的含量已經(jīng)減少了80%，而且重復(fù)性實驗驗證了MOF-1的可重復(fù)利用性，這對降低污染物治理成本至關(guān)重要。

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