金属-有机分子笼在g-C3N4半导体上的固定以提高光催化产氢性能

可见光驱动的光催化水制氢是一种太阳能转化策略, 各种异质结半导体和均相分子器件在光催化领域取得了很大的进展. 本课题组曾开发了一种含多个吸光中心和催化中心的金属-有机自组装分子笼Pd6(RuL3)8(BF4)28(MOC-16), 并研究了其光催化分解水产氢性能. 尽管该笼子定向电子通过多个独立的通道转移实现了高效制氢, 但仍存在均相催化剂的典型缺点, 即在光催化过程中, 笼子分解后钯纳米颗粒团聚致使催化剂失活. 而二维片层结构的石墨相氮化碳(g-C3N4)具有大量的共轭π电子和终止边缘以构成氢键, 是构建杂化材料的理想基底. 在此基础上, 本文采用简单的制备方法将MOC-16分立固定在g-C...

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Published in催化学报 Vol. 40; no. 8; pp. 1236 - 1242
Main Authors 王原溥, 刘 靓, 吴东俊, 郭 靖, 石建英, 刘军民, 苏成勇
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 中山大学化学学院,中山大学材料科学与工程学院, 生物无机与合成化学教育部重点实验室,Lehn功能材料研究所,广州510275%中山大学化学学院,中山大学材料科学与工程学院, 生物无机与合成化学教育部重点实验室,Lehn功能材料研究所,广州510275 2019
中国科学院上海有机所, 有机金属化学国家重点实验室, 上海200032
Subjects
g-C3N4
金属-有机笼
Metal-organic cage
Stability
稳定性
Photocatalytic H2 evolution
Visible light
可见光
光催化产氢
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Summary:可见光驱动的光催化水制氢是一种太阳能转化策略, 各种异质结半导体和均相分子器件在光催化领域取得了很大的进展. 本课题组曾开发了一种含多个吸光中心和催化中心的金属-有机自组装分子笼Pd6(RuL3)8(BF4)28(MOC-16), 并研究了其光催化分解水产氢性能. 尽管该笼子定向电子通过多个独立的通道转移实现了高效制氢, 但仍存在均相催化剂的典型缺点, 即在光催化过程中, 笼子分解后钯纳米颗粒团聚致使催化剂失活. 而二维片层结构的石墨相氮化碳(g-C3N4)具有大量的共轭π电子和终止边缘以构成氢键, 是构建杂化材料的理想基底. 在此基础上, 本文采用简单的制备方法将MOC-16分立固定在g-C3N4基质上, 得到异质体系MOC-16/g-C3N4, 相比其均相组分, 该新型催化剂具有更优良的光催化分解水产氢性能. 本文设计了空白的催化产氢实验, 比较了MOC-16中各部分及分子笼在催化产氢体系中的作用, 并采用X射线衍射(XRD), 傅里叶红外光谱, 透射电镜, 紫外可见光谱(UV-Vis), 瞬态光电流响应(i-t)、X射线光电子能谱(XPS)等手段研究了MOC-16和g-C3N4之间的相互作用和杂化材料MOC-16/g-C3N4的光催化产氢机理. 10 wt% MOC-16/g-C3N4表现出最高的产氢速率2021 μmol g–1 h–1, 并优于空白对照组的产氢效果, 循环15 h时的 TON(Pd)为517, TOF(Pd)值约36 h–1, 与MOC-16均相催化剂相比, 催化剂MOC-16/g-C3N4在产氢效率和稳定性上有明显提升. 形貌结构表征显示, MOC-16不与g-C3N4形成新的共价键, 也不改变g-C3N4原有形貌结构, MOC-16以配合物形式均匀分散在g-C3N4基底材料上. UV-Vis结果表明, MOC-16/g-C3N4的紫外-可见吸收峰结合了两种组分的吸收峰, 杂化材料的可见光区的吸收峰延伸至700 nm左右. 随着MOC-16负载量增大, 杂化材料MOC-16/g-C3N4的吸光范围越大. i-t结果进一步表明, MOC-16和g-C3N4之间存在有效的电子转移. XPS结果显示, 杂化前后, MOC-16中Pd价态未发生改变, 但峰位置发生位移, Pd 3d的电子结合能分别从343.1和338.0移动到342.6和337.3 eV, 进一步表明杂化后MOC-16和g-C
ISSN:0253-9837