纳米孔洞金属-有机骨架新型光催化材料的设计、合成及光催化制氢性能

光催化分解水制氢是目前国际上十分重要的研究课题。本项目拟以纳米孔洞金属-有机骨架(MOF)这一新型光催化材料为研究对象，在第一性原理理论计算基础上，充分利用分子设计思想，设计与合成具有光催化制氢性能的MOF材料，同时开展如下研究：（1）选取具有不同结构特征的多官能团有机配体来调控其能带结构，阐明MOF材料的能带结构与其光催化制氢性能的关系；（2）利用超分子模板方法制备具有微-介孔多级孔道的MOF光催化材料，考察孔道结构对其光催化制氢性能的影响；（3）通过声化学、微波等手段制备具有纳米线、纳米棒、纳米管等特征的MOF光催化材料，研究MOF光催化材料的尺寸与形貌对其制氢性能影响。在上述研究基础上，阐明MOF这一新型光催化材料的能带结构、孔道结构、尺寸与形貌与其光催化制氢性能之间内在联系等关键科学问题，为开发新型高效的MOF光催化材料提供实验依据和理论指导。

金属-有机骨架（MOFs）材料是由金属离子或团簇与有机配体构成的一类晶体材料，由于其拓扑结构可预测、孔道形状及尺寸易调控、比表面积大及易功能化等突出特点使其在气体存储和分离、催化、荧光传感等领域受到广泛关注。近年来，具有光活性的MOFs的光催化性能逐渐受到关注。本项目主要的研究内容和成果如下：.（1）首先研究了具有光活性的MIL-53M(M=Fe，Al和Cr)的光催化降解亚甲基蓝(MB)色素的性能，发现MIL-53M具有较好的光催化性能，且H2O2的加入可以大大提高其的光催化性能。在此基础上，我们研究了具有自呼吸功能的MIL-88A的光催化性能。MIL-88A表现出较好的光催化性能，且稳定性非常好。加入H2O2同样可以大大提高MIL-88A的光催化性能。(2) 研究了Erythrosin B色素敏化UiO-66 MOF的可见光分解水制氢性能。光解水制氢表明，UiO-66本身并不能在可见光照射下产氢，但加入Erythrosin B色素可以明显提高其可见光光解水制氢性能。进一步的研究表明，光生电子可以由Erythrosin B色素转移到UiO-66，从而可以有效抑制光生电子-空穴对的复合，提高其光解水产氢性能。(3)我们又制备了具有纳米棒和纳米管装结构的MOFs材料Zn(BDC)•xH2O和Cd2(BTC)2(H2O)2，并研究了其其荧光传感硝基苯性能。结果表明，所制备的纳米棒和纳米管对硝基苯具有非常灵敏的检测性能。(4) 研究了石墨相g-C3N4及其复合光催化材料的制备及其光解水制氢性能。首先系统研究了尿素分解制备g-C3N4的物理化学过程。研究表明，在Ar气氛中550oC聚合反应6-8 h所得g-C3N4的光解水制氢性能较高。在此基础上，我们又研究了g-C3N4/红磷复合光催化材料的光解水制氢及CO2还原性能。结果发现，该不含金属成分的复合光催化材料表现出较好的光催化材料的光解水制氢及CO2还原性能。(5)光催化分解水产氢过程中，一般需要助催化剂。目前普遍采用贵金属助催化剂，如Pt、Au等，由于其价格昂贵，因此开发光解水产氢反应中替代这些贵金属的助催化剂就显得非常有意义。我们开发了NiS2这一非贵金属助催化剂，发现NiS2担载的CdLa2S4和g-C3N4均表现出较好的光解水制氢性能，且产氢速率高于0.5 wt.% Pt担载的CdLa2S4和g-C3N4。