表面水分解反应增强型MOFs光催化剂的理性设计与可控合成

This project applies MOFs photocatalysis to simulate photosynthesis in order to improve the solar light energy conversion efficiency. For MOFs photocatalysts, the slow surface reaction kinetics is one of the key scientific questions which restrict their photocatalytic performance. Considering the inherent large specific surface area and easy constructed structure of MOFs, a high-efficiency photocatalyst with the spatially separated double-cocatalysts on MOFs is synthesized and investigated through theoretical calculation and experimental synthesis, to realize photocatalytic overall water splitting reaction. The loading of the spatially separated double-cocatalysts can accelerate the kinetic rate of water oxidation and reduction reaction, reduce the activation energy of the surface water splitting reaction, and achieve the purpose of accelerating the surface reaction kinetics. This project constructs a new photocatalyst structure model, which provides a new idea for MOFs photocatalyst rational design and lays a foundation for the industrial application of such photocatalyst.

本项目采用光催化手段模拟光合作用，旨在提高光能转化效率。对于MOFs光催化剂，自身表面反应动力学较慢是制约其光催化水分解反应性能的关键科学问题之一。本项目利用MOFs材料固有大比表面积的特点和易于形成核壳结构的优势，通过理论计算与实验合成相结合的手段，构筑负载空间分离型双助催化剂的高效MOFs光催化剂，实现高效光催化全分解水反应。空间分离型双助催化剂的负载，可同时提升氧化及还原反应动力学速率，降低表面水反应的活化能，达到加速表面反应动力学的目的。该项目提出全新的光催化剂结构模型，为MOFs光催化剂设计提供了新思路，为MOFs光催化剂工业化应用奠定基础。

本项目以构筑基于MOFs及其衍生材料的新型高光催化活性材料为主要研究目标，最终实现无牺牲剂条件下光催化全分解水反应的顺利进行。拟通过负载空间分离型双助催化剂及一系列改性手段来构筑具有高光催化活性的MOFs半导体材料，在此基础上研究总结表面水分解反应动力学与光催化反应活性的关联，归纳MOFs与其衍生材料间结构及性能相依关系，发展高光催化活性MOFs及其衍生材料制备新策略。.项目研究内容和进展按照合同要求有序进行，按时完成了各项工作任务。在项目具体执行过程中，我们围绕合同拟定总体目标，从新型核壳结构光催化剂的设计合成入手，通过多种方法构筑了若干MOFs及其衍生光催化材料。通过助催化剂的负载，多光催化材料耦合，本征光催化性质调控等对材料结构进行优化，系统地研究了这些因素对光催化性能的影响，总结其中构效关系。研究主要内容和重要成果包括：（1）首次以空间分离型双助催化剂负载的改性手段，同时加速MOFs半导体材料氧化还原动力学，实现无牺牲剂下水的全分解反应；（2）通过对结晶过程动力学及热力学的同时调控，实现多晶面共存的UiO-66材料的构筑，揭示晶面与光催化性能之间的构效关系；（3）发展和推进MOFs材料的多功能化方法，进一步扩展MOFs材料应用领域。.研究结果达到了合同要求。项目执行期间获得系列具有国际水平的研究成果，共计发表SCI收录论文10篇，申请发明专利1项，培养硕士研究生4名（其中2人已顺利毕业），全面达到合同规定指标（合同规定：论文4-7篇，申请专利1-3项，培养硕士研究生2-3）。