南開大學獲新型雙功能高效光催化劑

2016-02-23

光解水產氫和光降解有機物是解決能源短缺和環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。傳統的光催化劑主要是貴金屬和異質結構半導體材料，由于貴金屬的自然儲量有限、價格高昂，異質結構半導體的結構復雜、制備成本高，阻礙了其在解決環境和能源問題上的應用。

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、孔道規則等優點，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定性，且耐酸堿能力差，限制了它在光催化領域的應用。

趙斌教授、王衛超教授聯合研究團隊克服以上困難，成功研獲了一種同時具有光解水產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計和制備研究，具有豐富的設計經驗和完善的實驗條件。研究人員在設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，并且通過設計新的配體得到了很好的熱穩定性，通過熱重分析法發現MOF-1在高達300攝氏度的高溫下仍可穩定存在。

MOF-1光催化性能的理論預測由王衛超教授研究組實現。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，發現它是一種具有2.0電子伏帶隙的半導體，這與實驗中紫外-可見光譜分析所得結果非常吻合。研究人員結合麻省理工學院AronWalsh研究組提出的計算多孔材料功函數的最新方法，預測出MOF-1將同時具有光解水產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。

在后續實驗中，研究人員測量了MOF-1光解水產氫的能力。其中以甲醇作為犧牲劑，以H2PtCl6作為助催化劑，在紫外-可見光持續照射5小時情況下，其產氫率達到了160?mol/g，這樣高的效率在現有的金屬有機框架材料中十分少見。在進一步對MOF-1光降解有機污染物亞甲基藍的實驗中，研究人員發現，在可見光照射不到半小時的情況下，亞甲基藍的含量已經減少了80%，而且重復性實驗驗證了MOF-1的可重復利用性，這對降低污染物治理成本至關重要。

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