广东工业大学何军教授最新Small：硫醇MOF，螯合过渡金属用于光催化产氢
2023-03-08
摘要：广东工业大学何军教授、钟礼匡博士等人的实验结果表明，硫醇能够有效与过渡金属形成强配位作用，从而稳固光催化中心，实现高效的光催化产氢性能
光催化水分解产氢被认为是制备清洁能源氢气（H2）的一种有效手段，其关键基础和核心挑战是开发高效、稳定且低成本的光催化材料。金属有机框架（MOFs）因具有高比表面积，精准的结构设计和性能可调等优点在光催化产氢方面显示出巨大的潜力。然而，受限于催化活性差，许多MOF仍需引入贵金属（如Pt、Pd）来提高光催化活性。有机功能配体选择芳香羧酸-硫醇组合（即“阴”和“阳”）来组装MOF体现出巨大的优势：一方面化学上硬的羧基倾向于结合硬金属离子（如Zr4+）形成稳定的多孔金属羧酸网络，另一方面较软的硫醇基团游离，用于螯合过渡金属，构建高效稳定光催化剂。
广东工业大学何军教授研究团队长期专注于含硫MOF、COF材料的设计合成（近期代表性成果请见Nat. Commun.2022, 13, 6116; Coord. Chem. Rev. 2022, 450, 214235; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214450; Adv. Funct. Mater.2022, 2112072；Adv. Funct. Mater.2022, 2210717; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 1070; Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 3227; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 28, 31942; Small 2022, 2206724;J. Mater. Chem. A.2022, 10, 23195）。
基于团队前期的研究基础，广东工业大学何军教授、钟礼匡博士等人通过利用邻位硫醇配体（H2dcbdt）和Zr4+组装得到高稳定性的UiO-66-dcbdt框架，通过后修饰在邻位硫醇基团上螯合过渡金属（Cu、Fe、Ni）形成明确的[S-M-S]的不饱和金属催化位点。光催化实验表明，对比其它过渡金属，UiO-66-dcbdt-Cu具有最好的HER速率（4.18 mmol g−1 h−1），而原始MOF则无光催化产氢活性。为了避免外加光敏剂，UiO-66-dcbdt-Cu进一步与TiO2复合成异质结材料，HER速率可提升至12.63mmol g−1 h−1，优于大多数报道的MOF@TiO2复合材料。实验结果表明，硫醇能够有效与过渡金属形成强配位作用，从而稳固光催化中心，实现高效的光催化产氢性能。
总之，通过预留配位原子精准锚定特定金属催化中心，既能保留框架长程有序结构和稳定性，还能实现原子水平上的催化剂分散，有效克服催化剂团聚、失活等问题，实现高效光催化产氢。该工作以题为“Utilizing Metal-Thiocatecholate Functionalized UiO-66 Framework for Photocatalytic Hydrogen Evolution Reaction”在顶级期刊《Small》上发表。
图1. UiO-66-dcbdt的合成策略
图2. UiO-66-dcbdt和UiO-66-dcbdt-Cu的表征
图3. UiO-66-dcbdt与UiO-66-dcbdt-Cu的XPS表征及光催化性能
图4. UiO-66-dcbdt-M析氢机理表征
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