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化工学院能源催化材料团队在非贵金属光催化析氢研究中取得进展




光催化反应是在催化剂作用下利用光能进行物质转化的一种催化方式,具有绿色、环保、能耗低等优势。虽然多种半导体材料被用作光催化剂,但大多数光催化体系仍面临光生载流子分离效率低和迁移速率慢等问题,导致光催化反应活性较低。

共价有机框架(COFs)是一种具有网络拓扑结构、通过共价键结合有机单元组装而成的晶态多孔材料。由于比表面积大、组分可调控、结构稳定等优势,它们在光催化反应中展现出巨大应用前景。然而,大多数COFs主体骨架中缺乏催化活性中心,因此通常需担载金属助催化剂作为析氢催化活性位点,以获得高的光催化析氢效率。为实现光生电子从COFs到助催化剂活性位点的快速转移,设计合成具有强界面效应和短距离电荷传输的COFs和助催化剂的复合材料,是提高光催化效率的必要条件。

近日,bg视讯能源催化材料团队在空心双壳结构光催化剂研究中取得进展。该研究将COFs均匀涂覆在空心结构的过渡金属硫化物八硫化九钴(Co9S8)表面,制成了Co9S8与COFs空心双壳结构复合材料:Co9S8空心壳可促进光在双壳层间的反射和散射,提高光的利用效率;独特的空心双壳结构可使复合材料界面接触更紧密,缩短光生电子从COFs到Co9S8表面的迁移距离,诱导形成内建电场,加快光生载流子分离和迁移;COFs大的比表面积在促进传质的同时,也使Co9S8暴露bg视讯催化活性位点用于析氢反应。将该空心双壳结构应用于光催化析氢反应,以上因素(多重光反射和散射增强光吸收;内建电场加快光生电子迁移;大比表面积促进传质和暴露bg视讯催化活性位点)协同作用使得Co9S8@COF光催化析氢性能显著增强,析氢速率高达23.15 mmol·g-1·h-1,远高于纯Co9S8和COFs的物理混合物、铂基催化材料对应物和其它形貌的光催化材料,可作为铂基催化体系的替代物。该工作为非贵金属光催化材料的开发以及太阳能到化学物质的高效转化提供了新思路。

相关研究成果以“Photoelectron Migration Boosted by Hollow Double‐Shell Dyads Based on Covalent Organic Frameworks for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Generation”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, doi:10.1002/anie.202401969),王瑞虎研究员和董贝贝副教授为论文通讯作者,硕士生王美颖为论文第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金(21975259)、河北省自然科学基金(B2022202039)、河北省省级科技计划(236Z4308G)的支持。

全文链接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202401969

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