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青岛科技大学王磊课题组综述:金属-有机框架衍生的多功能光催化剂

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DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63934-7

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前言


近日,《催化学报》在线发表了青岛科技大学王磊教授团队关于MOFs衍生物应用于光催化领域的综述文章。该工作全面总结了MOFs衍生物在制备与光催化应用中的最新进展与面临的挑战。论文第一作者为:张亚萍,论文共同通讯作者为:徐继香,王磊。

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背景介绍


光催化技术是应对全球变暖和能源短缺的有效途径之一。然而,其面临的主要瓶颈问题是光生载流子的低分离效率和高反应能垒,而催化剂对此起到决定性作用。因此,催化剂的合理设计和改性是提高光催化效率的关键。金属有机框架(MOFs)是一类由中心金属有机配体组成的新型结晶多孔材料,基于结构多样性,超高比表面积,形状和尺寸可调的纳米孔或纳米通道等优异的特性,在光催化领域引起了广泛关注。然而,MOFs的主要问题之一是低导电性和稳定性,限制了MOFs的更广泛应用。但MOFs可以作为牺牲模板或前驱体制备纳米材料,由MOFs衍生的纳米材料继承了MOFs的优异特性,同时避免了MOFs较差的导电性和稳定性问题,并且可以通过选择特定的中心金属和有机配体对MOFs衍生的纳米材料进行调控,从而实现光催化剂的多功能性。因此,MOFs衍生物在光催化领域展现出更广阔的应用前景。此外,MOFs衍生物不仅可以作为半导体光催化剂,还可以作为光催化析氢、CO2还原、污染物降解等反应的助催化剂。本文从MOFs衍生物的制备,改性和应用等方面对近年来的研究进行了系统的总结。最后,对MOFs衍生物应用于光催化领域的未来发展进行了展望,以期为该领域的进一步研究提供更多参考,并带来新的启示。

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本文亮点


1. 基于近几年的研究成果,系统总结了由MOFs前驱体合成各类衍生物的制备方法,以及MOFs衍生物作为非均相催化剂用于光催化领域的催化机理与优势;
2. 结合近几年的研究,按照MOFs衍生物在光催化领域中的多功能应用进行分类,并梳理了提高其催化性能的策略;
3. 讨论了目前MOFs衍生物用于光催化领域所面临的挑战,并对其未来发展进行了展望。

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图文解析


图1. MOFs衍生物在光催化领域的应用

要点:
MOFs前驱体的高度可调控性使得其衍生物在光催化领域具有多功能性。MOFs衍生物不仅可以作为半导体光催化剂,也可以作为助催化剂与其他半导体材料复合,分别应用于光催化析氢、光催化CO2还原以及光催化有机污染物降解。本综述针对MOFs衍生物在光催化领域的不同应用进行了梳理,并总结了衍生物的制备方法与改性策略。


图2. MOFs衍生物的合成方法概述

要点:
MOFs衍生物通常包括金属氧化物、金属硫属化物(MX、X = S、Se、Te)、金属磷化物、金属氮化物和金属卤氧化物。通过控制热解过程的气体氛围、温度、时间等条件,即可可控合成各类目标衍生物。


图3. MOFs衍生物的改性策略

要点:
催化剂固有特性在很大程度上决定光催化效率,而且,MOFs衍生物的合成过程难以避免会伴随着晶格塌陷与结构破坏等问题。因此,为了获得更高效的光催化剂,对MOFs衍生物的改性十分必要。通过控制前驱体的种类、控制合成过程从而对衍生物的形貌结构进行调控,通过预合成或后处理的方式构建MOFs衍生物与其他半导体的复合材料,或者通过在MOFs前驱体中引入杂质元素形成掺杂的衍生物是常用的对MOFs衍生物进行调控的策略。

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全文小结


1. 基于光催化剂合理设计的重要性,阐述了由MOFs衍生而来的多功能光催化剂的研究意义和必要性,并介绍了MOFs衍生物的合成方法、改性策略。
2. 结合具体案例,介绍了MOFs衍生物在光催化领域的具体应用方向,以及各个方向的代表性工作与现在面临的挑战与难点。
3. 结合现有的研究工作,提出MOFs衍生物在光催化CO2还原以及MOFs衍生的单原子催化剂方面的广阔应用前景。

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作者介绍



王磊 教授,山东省杰青,泰山学者青年专家,青岛科技大学崂山学者,博士生导师,青岛科技大学环境与安全工程学院院长。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室。长期从事绿色能源和多孔催化相关领域研究,已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci., Nano Lett., Appl. Catal. B, Sci. China Chem., 中国科学等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇,其中通讯作者影响因子大于10.0的论文六十余篇。主持国家级和省部级项目十余项,获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。

文献信息:
Yaping Zhang, Jixiang Xu *, Jie Zhou, Lei Wang *,Chin. J. Catal., 2022, 43: 971-1000

期刊信息:
Chinese Journal of Catalysis(《催化学报》,月刊,英文刊)创刊于1980年,是中国化学会催化学会会刊,由中国科学院大连化学物理研究所和中国化学会共同主办,电子版在Elsevier平台出版,发表催化领域各主要研究方向的最新研究成果,现任共同主编为李灿院士和张涛院士。期刊SCI影响因子为8.271,位居中科院期刊分区化学大类一区,连续10年被评为“中国最具国际影响力学术期刊”,并获得中国科技期刊卓越行动计划重点期刊类项目资助。

国内网站:
www.cjcatal.com (创刊以来所有文章可免费下载)
投稿网址:  
https://mc03.manuscriptcentral.com/cjcatal


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