用于光催化制氢的可见光响应型钛基金属-有机框架材料

Photocatalytic hydrogen generation utilizing sunlight is the most attractive approach for producing hydrogen from renewable energy. Ti(IV)-based metal-organic frameworks (MOFs) have demonstrated promising applications in photocatalytic hydrogen generation. Yet, the reported structures of Ti(IV)-based MOFs are still scarce, and the photo-response of Ti(IV)-based MOFs in the visible light region is still low. This project is mainly performed to explore novel Ti(IV)-based MOFs with strong visible light photo-response that display efficient and stable photocatalytic hydrogen generation. From the investigation, the main problems in developing Ti(IV)-based MOFs such as the difficulty in the controlled synthesis of crystal structures, the unclear relationships between the crystal structures and photocatalytic efficiency will be studied and solved. The influence of ligands and synthetic conditions on the crystal structures and coordination modes of MOFs will be explored. New method for modulating the band-gaps of Ti(IV)-based MOFs and enhancing absorption in the visible light region will be developed. The structure-property relationship between the crystal structures and efficiency of photocatalytic hydrogen generation will be studied and concluded in detail. New Ti(IV)-based MOFs that demonstrate efficient and stable photocatalytic hydrogen generation in the visible light region will be successfully designed and synthesized. The research will provide scientific foundation for the exploration and application of novel promising materials for the development of efficient visible light photocatalysis.

利用太阳光进行光催化分解水制氢是最具吸引力的可再生能源制氢途径。钛基金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs）材料在光催化制氢领域具有重要的应用前景，但目前其结构单一，且可见光催化活性较弱。本项目拟采用溶剂热合成方法，研制可见光响应型钛基MOFs材料，以实现稳定高效的光催化制氢性能。通过项目研究重点解决钛基MOFs材料可控制备和结构性能不易调控的两大关键问题，揭示可见光响应型钛基MOFs材料的可控制备及配体设计、材料合成工艺对其能带结构、活性中心构型、孔道尺寸及形状的影响规律，阐明钛基MOFs材料的晶体结构、活性中心构型以及能带结构与光催化制氢性能的关联规律和调控机理，研制出在可见光区高效稳定的钛基MOFs光催化制氢材料，为实现利用太阳能高效制氢研究提供材料设计思想、关键制备技术和理论积累。

利用太阳光进行光催化分解水制氢是最具吸引力的可再生能源制氢途径。钛基金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs）材料在光催化制氢领域具有重要的应用前景，但目前其结构单一，且可见光催化活性较弱。本项目采用溶剂热合成方法，研制可见光响应型钛基MOFs材料，以实现稳定高效的光催化制氢性能。运用晶体生长原理成功设计并合成了三种新型的钛基MOFs材料（ZSTU-1、ZSTU-2和ZSTU-3），通过对温度、溶剂、配比、反应时间等合成条件的探索，获得了制备钛基MOFs材料的关键制备技术。通过溶剂微调控的方法，成功解决了钛基MOFs材料制备条件不可控、结构性能调节不易这两大关键问题。通过对有机配体进行功能修饰，成功调控了MOFs材料的能带结构，并建立了配体结构、晶体结构与材料能带之间的关联规律。比表面积研究结果表明，三种MOFs材料都是多孔材料，其中ZSTU-1、ZSTU-2和ZSTU-3的比表面积分别为536 cm2 g-1、628 cm2 g-1和655 cm2 g-1。随着有机配体长度的增加，MOFs材料的比表面积得到显著提高。该结果表面，钛基MOFs材料的比表面积大小可以进行可控调节。制备得到的三种钛基MOFs的禁带宽度分别为2.22 eV, 3.22 eV和2.62 eV。其中ZSTU-1的禁带宽度最小，可以有效吸收可见光谱。制备得到的钛基MOFs材料在可见光区具有较高的光响应活性，同时可以高效的光催化产氢性能。光照4小时后，其光催化产氢量为90 umol。该项目研究结果可以为MOFs材料在高效光催化制氢中的应用提供重要的结构设计思想、合成技术和理论依据。在项目资助下，共发表SCI刊源论文12篇，申请国家发明专利2项，已培养在读硕士研究生5名，联合培养在读博士研究生2名。共参加3次国际学术会议，8次国内会议。