硫化鎘金屬-有機框架復合材料的制備及光催化應用

背景介紹全球面臨非可再生礦物能源日趨枯竭的危機，尋找可替代的再生型能源是當今社會面臨的挑戰(zhàn)。太陽能是最清潔的能源之一，但是其存在能量密度低、易受氣象條件影響等缺點。光催化技術能夠?qū)⑻柲苻D變?yōu)榛瘜W能，是太陽能轉化和利用的最佳方式之一。MOFs是由金屬離子或金屬簇與有機配體通過自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡結構的晶態(tài)多孔材料。將MOFs與其他材料復合可以顯著提升光催化活性，包括單原子、金屬納米粒子、二氧化鈦、金屬硫化物、氮化碳材料等。其中，金屬硫化物/MOFs復合材料是十分重要的一類。本文亮點1圍繞CdS/MOFs復合材料的合成方法及其在光催化中的應用展開討論；2對存在的問題和可能的發(fā)展方向進行了總結與展望。內(nèi)容介紹1

合成策略1.1

CdS位于MOFs外表面將預先合成的MOFs材料浸泡于CdS的前驅(qū)體中，通過合適的手段方法，在MOFs的外表面原位沉積CdS，便得到CdS位于MOFs外表面的復合材料。1.2

CdS位于MOFs內(nèi)部孔洞主要有兩種途徑將CdS引入至MOFs內(nèi)部（圖2），第一種是“船外造瓶法（bottle-around-ship）”：預先合成CdS納米材料，再與MOFs前驅(qū)體一起反應，便可得到CdS原位包裹于MOFs內(nèi)部的CdS/MOFs復合材料。第二種是“瓶中造船法（ship-in-a-bottle）”：預先合成具有一定孔洞及穩(wěn)定性的MOFs，通過特殊基團（如氨基、巰基等）或親水性-疏水性溶劑組合的方式，將Cd2+引入至MOFs空腔內(nèi)，再原位制備CdS。圖2

CdS位于MOFs內(nèi)部的材料合成途徑Fig.2

SynthesispathsforCdSlocatedininternalchannelofMOFs2

CdS/MOFs復合材料在光催化中的應用2.1

光解水制氫光催化水裂解制取氫氣主要涉及3個步驟：（1）光敏劑吸光，產(chǎn)生光生電子和空穴；（2）光生電子和空穴的分離和遷移；（3）H+被光生電子還原為H2。2.2

光催化CO2轉化2014年，Wang等[30]以CdS作為催化劑，Co-ZIF-9作為助催化劑，在可見光照條件下催化CO2轉化為CO。近幾年的研究表明，將CdS和MOFs雜化為復合材料，更有利于提升光催化活性。2.3

環(huán)境污染物降解有機染料、重金屬離子（如Cr6+）、抗生素類藥物等均對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴重危害。在它們的處理方法中，光催化降解是十分重要且具有廣闊應用前景的一類。2.4

其他反應Lin等[46]通過簡單的光沉積，得到MIL-101?@CdS-Ni復合材料，并將其應用于催化含氮雜環(huán)的光化學脫氫反應（圖3）。圖3

MIL-101?@CdS-Ni催化的含氮雜環(huán)的光化學脫氫反應Fig.3

PhotochemicaldehydrogenationofN-heterocyclesbyMIL-101?@CdS-Ni3

結論CdS與MOFs的復合結構，既可分散CdS納米粒子、避免聚集，也可增加MOFs對可見光的吸收利用率，此外還能形成異質(zhì)結，有利于電子傳輸、降低光生電子-空穴復合率，在光催化往往表現(xiàn)出由于CdS或MOFs單一組分的催化效果。