MOF/半导体异质结的构建及其光催化性能研究
金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs),也表示为多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属离子/团簇和有机配体通过配位键自组装组成周期性的、网络结构的、多孔性的固态晶体材料。这类材料由于其高孔隙率、规则和可调的孔结构以及高比表面积等特殊的物理化学性质,已引起人们对其在选择性气体吸附分离,储氢,化学传感,多相催化,和药物输送等方面广泛的关注。
MOFs的次级结构单元是金属氧簇结构,能表现出类似半导体的行为,因此近年来其在光催化领域中引起了广大科研人员的广泛关注。其在光生电子空穴的的有效分离上具有独特的优势,但存在带隙较宽等缺陷。
因此,本论文在MOFs片和W18O49纳米线的合成基础上,设计构建了2种MOFs/半导体异质结及其复合材料,用于光催化研究。具体研究内容如下:1)在Cd-MOF纳米片合成的基础上,采用原位硫化的方法,温和条件下,制备了 CdS/Cd-MOF二元异质结构复合材料,并应用于光催化制氢。
实验结果表明,由于独特的异质结构和高效的电荷分离效率以及传输特性,CdS/Cd-MOF纳米片在没有额外的Pt助催化剂负载的情况下,在可见光照射(λ>420nm)下,产氢速率高达4927μmol-1g-1,是纯CdS纳米粒子的25倍。同时,具有出色的稳定性和可再循环性。
反应20h后,其产氢速率没有显著下降。这种原位构建二元片状光催化剂的方法,为设计合成先进的2D复合催化材料开辟了新的途径。
2)首先通过溶剂热法成功制备了具有高纵横比的W18049纳米线,再通过表面活性剂修饰的方法,将溶剂热法合成的W18049纳米线表面用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行改性,在纳米线表面均匀生长尺寸约为20nm的金属有机框架
Uio-66(NH2),得到了结构新颖的一维W18O49@Zr-MOF核-壳结构。此外,通过控制金属离子的量,可调控纳米线壳层(Zr-MOF)的厚度和间隙长度。
壳层Uio-66(NH2)是一种亲水的多孔材料,可以有效富集污水中的六价Cr。W18O49@Zr-MOF的异质结可促进电子与空穴的分离,二者的协同作用,对水中的六价Cr具有较强的富集与光催化还原降解性能。
实验结果表明,与单一组分的W18049纳米线和纯Zr-MOF相比,复合结构的W18O49@Zr-MOF有着显著提高的光催化还原Cr(VI)的能力。这种新型的核-壳结构在污水治理,储能,药物传送等领域也存在着潜在的应用。
MOF半导体异质结的构建及其光催化性能研究
