基于金屬—有機骨架構筑復合光催化材料及其可見光光催化制氫性能

周利君 楊媛 曹孟雪 張思銳(西安電子科技大學，陜西 西安 710126)

基于金屬—有機骨架構筑復合光催化材料及其可見光光催化制氫性能

周利君 楊媛 曹孟雪 張思銳(西安電子科技大學，陜西 西安 710126)

我國目前困擾人類社會的最主要問題就是能源短缺，因此當前人們最重要的是尋找到新型的清潔能源。氫氣具有產物無污染優點，是最有潛力的清潔能源，另一方面，水是地球上最為豐富的資源，直接利用太陽能制取氫氣，是制備清潔能源的一種重要技術。因此，當前人們最主要的研究課題就是如何利用水、太陽能來制造出氫氣。而在太陽能制造氫氣的過程中，光催化材料是非常重要的組成部分。金屬-有機骨架作為新型的光催化材料，逐漸進入人們的視野并引起廣泛關注。

光催化材料；可見光光催化；金屬-有機骨架

當今社會經濟飛速發展，人們對能源的需求也在不斷增長，能源的不斷消耗也帶來了最突出的問題就是能源短缺。目前人類活動基本上都是依靠化石能源，但這些資源面臨著枯竭的困境。同時，化石能源又帶來環境污染問題，正威脅著全球的生態環境。所以開發新型能源至關重要。新型能源清潔無污染，被認為是理想能源。近年來，氫能源越來越受到人們的關注，工業化生產氫氣能夠解決能源危機問題。而太陽能又是取之不盡的自然資源，利用太陽能轉化制氫，能夠極大的節約能源，并且安全無污染，是當前最理想的制氫方法。因此，利用可見光制氫已經成為當前最具前景的研究課題。

1 光催化分解水制氫

人類在經濟發展的同時加劇了能源危機，因此光催化制氫技術的研究被人們所關注。傳統的半導體，在過去被人們用來光電分解水，并以此來制造氫氣。但是半導體也有很多的不足之處。

光分解水制氫分為三個過程

(1)光吸收

半導體材料決定了對太陽光的吸收范圍，水的分解電解電壓是1.8 eV左右，因此如果想要利用可見光催化來制造氫氣，那么就需要專門的光催化材料，這種材料的禁帶寬度必須足夠大，需要大于水的分解電壓才行。

(2)光生電子和空穴

半導體價帶上電子被激發，光生電子躍遷至催化劑表面發生反應。因此，當催化材料的潔凈度足夠好的話，光催化的活性也就越強，那么對水的氧化還原的幾率就越大，性能就越好。

(3)表面氧化還原反應

光激發產生的電子具有很強的還原能力，發生H20的還原反應，空穴則產生H20的氧化反應。

2 金屬-有機骨架材料的應用

金屬-有機骨架材料是由鋁、鐵、鋅等金屬組成，并且這種材料是通過自組裝形成的，晶體表面的孔隙非常多。金屬有機骨架材料中金屬原子與配體結合得非常緊密，具有極高的比表面積和孔隙率，骨架結構多孔且不易坍塌，在吸附、催化等方面都能夠得到很好的應用，應用前景非常廣發。金屬-有機骨架材料的合成有四種最主要的方法，晶粒尺寸小的一些金屬-有機骨架合成使用的方法是微波法，密閉的體系中生成晶體使用的方法是水熱合成法，合成小晶粒金屬-有機骨架材料的最有效方法就是超聲化學合成法，然而電化學合成法能夠在常溫和常壓這種條件下才能夠完成，這種電化學合成法能夠被精確的控制，是比較高效和方便的合成方法；根據不同金屬-有機骨架材料的特點，能夠和傳統的合成方法進行互補，來得到不同性質的金屬-有機骨架材料。

3 金屬-有機骨架構筑光催化材料的優勢

基于金屬-機骨架材料構筑復合型光催化材料。金屬-有機骨架是由金屬離子中心形成的多孔固體材料，具有結構可裁剪等突出優點。光催化反應過程中，水分子可以填充于金屬-有機骨架的表面中，大大縮短載流子在空間上的輸運距離。同時，金屬-有機骨架通過簡單的物理方法能和其它化合物復合，開發金屬-有機骨架材料進對太陽光吸收的同時減少貴金屬的使用，使其成為催化請能高、成本低廉的新型光催化劑。

4 金屬-有機骨架的光催化制氫性能

構建光催化劑，最重要的是基礎材料的性質，取決于材料本身的光吸收性能。金屬有機骨架材料在光催化反應中有利于電子傳遞，易于改性，其化學穩定性高，在甲醇溶液中

具有光催化制氫活性。金屬-有機骨架呈正八面體型。金屬-有機骨架是典型的高活性半導體光催化劑，是理想的可見光的光催化劑，而且，同其他催化劑藕合可以提高耐光性。采用水熱法準備高度結晶的金屬-有機骨架八面體復合納米顆粒，并對合成的復合物進行了可見光光催化制氫實驗，通過實驗我們發現，金屬-有機骨架所制備的復合物，穩定性能得到很大的提高，制氫性能非常好。

5 結語

隨著當前能源短缺已經成為困擾人類社會重要問題，光催化制氫作為產能大具有非常好的應用前景。金屬-有機骨架構筑的光催化材料相對于傳統材料非常具有優勢，能夠極大的提高可見光光催化制氫的性能。

[1]王蓉.基于金屬—有機骨架構筑復合光催化材料及其可見光光催化制氫性能[D].安徽大學,2016.

[2]李睿.基于金屬-有機骨架的復合光催化劑的設計、合成及其應用研究[D].中國科學技術大學,2015.

[3]薛金娟.基于貴金屬的復合光催化材料的制備及其性能研究[D].東南大學,2016.

[4]彭紹琴,劉曉燕,丁敏,等.復合光催化劑CdS—Pt∕TiO2制備及可見光光解海水制氫性能[J].分子催化,2013,27(5):459-466.

性別：女（1977-）籍貫：陜西西安，民族：漢，學位：博士研究生，職稱：副教授，研究方向：主要從事“配位化學”、“材料化學”和“物理無機化學”方面的科研工作。課題：（1）金屬-有機框架化合物的催化、吸附、磁學和發光性能研究；