ZIF-8/g-C3N4 復合材料光催化性能研究進展

張姝沁，彭龍新，許雪源，劉建棟，楊宇杰，張夢，陳萍華＊

（南昌航空大學環境與化學工程學院，江西南昌330063）

1 引言

石墨相氮化碳（g-C3N4）作為一種新型非金屬光催化劑，具有制備方法簡單、穩定性高、無毒、環保等眾多優點，被廣泛應用于光催化領域，如還原CO2[1]、光催化裂解水產氫、光降解有機污染物[2]和光解水產氧[3]等，在能源和環境凈化方面具有很廣闊的研究空間。其中，由于氫能的清潔性和熱值高的特點，光催化水產氫受到了廣泛關注。

金屬-有機骨架（MOFs）是一類新型的多孔有機-無機雜化材料，除了傳統的半導體光催化劑外，由于其獨特的結構特性，近年來成為一種新型的光催化材料[4]。MOFs 由有機配體和金屬離子或金屬離子簇配合而成，具有比表面積大、熱穩定性高、易回收、結構多樣、性質可調等優點[5]。且其孔徑大小、比表面積、不飽和金屬位點等都可以通過合理地選擇金屬離子和有機配體來調控[6]。所以，基于以上特性，MOFs 被廣泛的應用于能源儲存與轉化[7，8]、催化[9，10]、吸附[11～13]、分離[14～16]、氣體儲存[17]、傳感[18]、醫療[19]等領域。沸石咪唑酯骨架結構材料（ZIFs）是MOFs 材料的一種，主要利用有機咪唑酯配體與金屬離子通過配位作用自組裝形成具有超分子微孔網絡結構的類沸石化合物[20]。ZIF-8 作為類ZIFs 的典型代表，具有良好的水熱及化學穩定性，且具有較大的比表面積。

2 ZIF-8/g-C3N4 復合材料光催化的研究意義

g-C3N4由于其種種優點， 在光催化產氫領域得到了廣泛的研究。然而，單純的g-C3N4存在光電復合效率高、電導率低、相對表面積較小、可見光吸收率低等問題，所以光催化性不高。我們可以通過負 載 助 催 化 劑[21～23]、引 入 多 孔 結 構[24]、元 素 摻雜[25、26]等手段改善g-C3N4的光催化性能。

MOFs/g-C3N4復合材料具有良好的光催化性能，是基于異質結的形成能有效促進光誘導電子－空穴在反應中的分離和轉移[27]。g-C3N4與ZIF-8 復合后，利用MOF 的優勢將g-C3N4與ZIF-8 結合形成半導體異質結， 可以增大g-C3N4的比表面積以及光學和電化學性能， 可以提高g-C3N4的光催化產氫性能[28]。這樣不僅可以大大降低電子空穴間的復合概率，還可以解決對太陽能的利用效率不高、容易發生光腐蝕等問題。

3 ZIF-8/g-C3N4 復合材料光催化研究進展

王茀學[29]采用原位合成法，將Zn 系MOFs 材料ZIF-8 與g-C3N4進行復合。經實驗探究后得出ZIF-8/g-C3N4復合材料在可見光下具有光催化活性，且g-C3N4與ZIF-8 復合比例對產物光催化活性有明顯影響，當ZIF-8∶g-C3N4=4∶1 時產物活性最高。Liu 等[30]通過水熱法制備了ZIF-8/g-C3N4復合材料，結果表明，當ZIF-8 含量為3%時，ZIF-8/g-C3N4復合材料具有良好的光催化活性，在光照下60 min 內對羅丹明B 的降解率可達99.8%左右。Yuan 等[31]采用超聲波原位法制備ZIF-8/g-C3N4光催化劑，結果表明，超聲原位方法有助于阻礙g-C3N4的聚集，ZIF-8/g-C3N4增強了底物吸附和電荷轉移和分離，及該復合材料是有易于光催化活性的提升的。

高聰聰[28]在g-C3N4/多酸的基礎上復合ZIF-8，形成g-C3N4/多酸/ZIF-8 光催化劑，有效提高了g-C3N4空穴和載流子的分離效率， 提高g-C3N4的光學和電化學性能， 進一步提高了光催化產氫的速率。實驗采用原位沉淀法制備了g-C3N4/MOF 復合催化劑，證明了雙金屬MOF 有產氫性能。同時，構 筑 了g-C3N4/ZnCo-ZIF、g-C3N4/ZnCu-ZIF、g-C3N4/ZnNi-ZIF 復合雙金屬MOF 光催化劑， 其中g-C3N4/ZnNi-ZIF 光催化劑的產氫性能最優。并且，如果在g-C3N4/MOF 復合催化劑的基礎上負載貴金屬Pt，還可以進一步提高產氫效率。同時，實驗以g-C3N4/ZIF-8 為前驅物采用水熱法一步合成了g-C3N4/ZnCdS 半導體異質結，g-C3N4/ZnCdS 采用水熱法再摻雜P，形成P 摻雜的g-C3N4/ZnCdS 半導體異質結。實驗結果顯示，通過形成異質結，提高了g-C3N4載流子的傳輸效率，并提高了g-C3N4的光催化性能，復合材料的產氫效率進一步提高。

Tian 等[32]報告了一種具有可控形態和界面的ZIF-8/g-C3N4復合材料，發現ZIF-8 納米顆粒均勻錨定在改性棒狀材料上。在發光二極管照明下，與塊狀ZIF-8 材料相比ZIF-8/g-C3N4復合光催化劑表現出顯著的析氫性能。產氫效率的提高可歸因于電子－空穴分離，電荷傳輸和氧化還原能力的協同改進。

4 展望

g-C3N4/ZIF-8 復合材料的合成途徑多樣，可用于能源和環境凈化，可用于其他污染物的降解、水污染的治理，還可以用于光催化產氫。未來g-C3N4/ZIF-8 復合材料的光催化活性必將會進一步提高。