【摘 要】
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开发高效的光催化体系,将太阳能转换为燃料小分子(比如H_2、CO、HCOOH)有望缓解人类面临的能源危机和环境污染问题,相关研究引起广泛关注。高效的光催化体系不仅需要高效的催化剂,而且需要高效的催化剂与光敏剂之间的有效协同。然而,各国研究者长期聚焦与开发高效的催化中心,光敏中心的研究相对滞后,严重阻碍了高效光催化体系的开发。因此,如何开发高效的光敏剂同时实现光敏中心和催化中心的高效协同是该领域面临
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开发高效的光催化体系,将太阳能转换为燃料小分子(比如H2、CO、HCOOH)有望缓解人类面临的能源危机和环境污染问题,相关研究引起广泛关注。高效的光催化体系不仅需要高效的催化剂,而且需要高效的催化剂与光敏剂之间的有效协同。然而,各国研究者长期聚焦与开发高效的催化中心,光敏中心的研究相对滞后,严重阻碍了高效光催化体系的开发。因此,如何开发高效的光敏剂同时实现光敏中心和催化中心的高效协同是该领域面临的关键科学问题。金属-有机框架(MOFs)作为一类多孔、晶态分子材料,具有明确的结构和良好的稳定性,被认为是集成光敏中心和催化中心的理想平台。在这一领域,各种催化剂,如单金属中心、金属纳米粒子和金属团簇,已被限域到MOFs中,促进了光生电子-空穴的分离,显著提升了光催化析氢及CO2还原性能。然而,在该领域对光敏中心的研究极少。现有光敏剂普遍存在可见光吸收能力弱和激发态寿命短等问题,因此从分子层面调节光敏中心结构,提升光敏化能力,有望大幅度提升光能转换效率。为了解决上述问题,我们将含有香豆素6的铱基配合物(L-Ir-C6)引入UiO67,制备了具有3IL激发态的UiO67-Ir-C6,进一步通过后合成修饰引入钴、铜金属催化中心,设计合成了两个新型MOF基复合型催化剂(UiO67-Ir-C6/Co和UiO67-Ir-C6/Cu)。将其用于光催化析氢和二氧化碳还原,UiO67-Ir-C6/Co展现出极高的析氢活性,析氢活性速率高达2440.4μmol g-1h-1,比传统体系UiO67-Ir-ppy/Co提升了109倍。UiO67-Ir-C6/Cu展现出优越的光催化CO2还原性能,其甲酸生成速率高达480.7μmol g-1h-1,是目前MOFs材料体系中光催化CO2还原为甲酸的最高值。稳态、瞬态光谱研究表明,UiO67-Ir-C6的可见光吸收能力和激发态寿命(160.2 ns)显著优于传统UiO67-Ir-ppy(32.9 ns),改善了MOFs体系的太阳光利用率和激发态寿命,有效提升了界面电子传输效率,最终增强了催化性能。利用电化学和瞬态光谱证实了催化过程为还原机制,界面的电子传输效率和体系的可见光捕获能力是提升催化活性的关键因素。该工作通过分子层面的精准调控,提升体系光敏化能力,极大提升人工光合成效率,开辟了发展新型高效MOFs光催化体系的新思路。
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