研究进展:单分散金属磷化物促进MOF光催化产氢

科技工作者之家 2020-10-09

来源:今日新材料

随着传统化石能源的快速消耗,寻找清洁、可持续的替代能源是当前科学研究的重要内容之一。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源,利用其催化水分解制取氢气是一种行之有效的方式。然而,目前光催化依然面临着效率较低的问题。其中载流子易复合、缺少活性位点是限制其催化效率的主要因素之一。过渡金属磷化物(TMPs)是一类被报道的可用于光催化产氢,并有望替代Pt的非贵金属共催化剂。

金属有机框架材料(MOFs)作为一种新型多孔晶态材料,在光催化领域展现出广阔的应用前景。中国科学技术大学江海龙教授课题组基于前期工作基础,通过预先合成小尺寸的TMPs纳米颗粒,基于MOF良好的限域作用,以UiO-66-NH2为载体,实现了小尺寸、单分散TMPs稳定用于光催化产氢,其中Ni2P作为共催化剂时展现出优于Pt的光催化活性。实验中充分利用MOF合成过程中高度的可控性与可调性,减小催化剂中变量,并进一步结合详细的热力学、动力学分析研究了TMPs与Pt作为共催化剂的优劣。

课题组在实验中首先合成尺寸均为10nm左右的TMPs与Pt纳米颗粒,然后通过原位生长的方式将其引入UiO-66-NH2中,XRD与电镜证明引入共催化剂的MOF颗粒具有良好的结晶性与完整的形貌,TEM进一步显示纳米颗粒均匀地分散在MOF中。

Mott-Schottky测试表明UiO-66-NH2在热力学上满足产氢条件。通过引入共催化剂后MOF的产氢活性有显著提高,说明共催化剂的引入可以有效MOF产氢的过电势。光催化活性显示Ni2P@UiO-66-NH2优于Pt@UiO-66-NH2,并优于Ni12P5@UiO-66-NH2,同时催化剂在三轮循环中保持了良好的稳定性。显示了MOF在有效稳定小尺寸纳米颗粒,抑制反应失活方面的优势。进一步表征发现,在LSV测试中Pt具有远低于Ni2P和Ni12P5的起始过电位。说明从热力学角度来看Pt可以更有效地降低MOF的产氢过电势。但实验结果却显示Pt并不具有最优的光催化产氢活性。可见仅从热力学角度分析无法准确判断共催化剂的效果。为了对Ni2P作为共催化剂促进MOF产氢的机理进行深入探究,课题组进行了ESR和时间分辨瞬态吸收光谱的研究。通过ESR发现,MOF在光照条件下会产生微弱的锆氧簇信号,这说明光照条件下MOF会发生电子从配体跃迁到簇的LCCT过程。当引入共催化剂后锆氧簇的信号产生明显的增强,且Ni2P为共催化剂时增强幅度更大,这说明共催化剂的引入可以有效地加速LCCT过程,促进电子空穴分离,同时Ni2P具有更好的效果。

本项工作中基于MOF限域作用首次在MOF体系中实现了小尺寸、单分散的非贵金属磷化物作为共催化剂促进光催化产氢,催化剂保持了良好的稳定性。利用MOF高度的可调节性与合成的可控性,减少催化剂制备过程中的变量,从热力学与动力学角度对比了TMPs与Pt作为共催化剂的活性差异,并显示了TMPs与Pt具有相似的性质,可以有效加速光催化过程中MOF的LCCT过程,促进载流子分离,有效降低光催化反应的活化能。本项工作对于寻找更加有效的非贵金属共催化剂用于光催化产氢,并深入理解MOF光催化机理具有很好的启示和借鉴意义。


文献链接:

http://doi.org/10.1002/anie.202011614



来源:gh_d06fa4463e84 今日新材料

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwMTEzMjE5OQ==&mid=2247484379&idx=7&sn=040e18c64af26bcbcab93e3bc86cb6c2&chksm=c0b83913f7cfb005b8c5e8a298e892eec339efc9cc400cd512cbb3b0ad2de14650710df6566b&scene=27#wechat_redirect

版权声明:除非特别注明,本站所载内容来源于互联网、微信公众号等公开渠道,不代表本站观点,仅供参考、交流、公益传播之目的。转载的稿件版权归原作者或机构所有,如有侵权,请联系删除。

电话:(010)86409582

邮箱:kejie@scimall.org.cn

科普 光催化 pt

推荐资讯