金属配位聚合物基光催化剂的设计构筑及其析氢性能研究

作     者：张月阳 

作者单位：北方民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘海

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：金属配位聚合物 离子协同自组装 异质结 光催化析氢 

摘      要：随着科技和现代工业的高速发展,化石燃料资源短缺和环境污染成为当今社会面临的两大问题。光催化分解水制氢技术被认为是缓解能源短缺和环境污染的最有效的方法之一。光催化反应的核心为高效稳定的光催化材料,然而,单组分催化剂普遍存在着光生载流子容易复合、可见光利用率低等问题,严重限制了光催化技术的发展。基于此,本论文以金属配位聚合物为研究对象,通过构建异质结和离子协同自组装等策略对其进行改性处理,优化载流子的传输路径,增加活性位点的数量,提升光生电子的利用效率,最终实现光催化活性的显著提升。主要工作内容和结果如下:（1）通过水热法和物理混合的工艺设计了一种基于金属配位聚合物的二元催化剂ZIF-67/CoFe LDH。ZIF-67独特的框架结构为CoFe LDH纳米棒簇提供了大量的负载位点,有效防止了CoFe LDH纳米棒簇的严重聚集,使CoFe LDH稳定负载在ZIF-67表面,促进了ZIF-67和CoFe LDH之间的传质性能。原位辐照X射线光电子能谱结果表明,内电场驱动ZIF-67中的光生电子向CoFe LDH移动,形成S型异质结ZIF-67/CoFe LDH,极大地促进了电子-空穴的分离。在5W（λ420 nm）的LED光照下,ZIF-67/CoFe LDH表现出优异的光催化析氢活性。（2）通过原位超声搅拌的方法,将双金属普鲁士蓝类似物（NiFe-Prussian blue analogs）与金属氧化物（CuO）偶联,成功构建NiFe PBA@CuO复合催化剂。引入纳米球结构的CuO有效地阻止了NiFe PBA立方块的团聚,NiFe PBA紧密地负载在CuO的表面,导致活性位点增加,促进了表面反应动力学。此外,NiFe PBA与CuO耦合形成p-n异质结,加速了电子与空穴的分离。因此,NiFe PBA@CuO在EY敏化的三乙醇胺（TEOA）溶液中表现出优异的光催化析氢活性。（3）采用水热法制备了两种不同的金属有机骨架（MOFs）,并在此基础上引入PVP,得到了活性较好的金属配位聚合物（MCPs）,证明了PVP作为表面活性剂和形态调节剂的促进作用。然后,在不制备模板MCPs的情况下,采用一锅法构建了阶梯式纳米花结构的二元组装多金属配位聚合物（PMCPs）,成功实现了Cu和Co的离子配位自组装过程。Co和Cu离子的离子配位自组装一方面促进了电子的迁移。另一方面,它有利于减少光生电子在EY表面的吸附,从而使更多的电子参与光催化反应。此外,在多个金属离子和PVP的协同作用下,更有利于防止金属离子聚集,隔离金属离子表面氧化位点。上述三个因素的共同作用显著提高了光生载流子的迁移率。