化物所金盛燁2DMOFs最新研究光催化性能大提升

近日大連化物所金盛燁研究員團隊與孫承林研究員團隊合作，在二維（2D）金屬有機框架（MOFs）載流子動力學研究方面取得新進展，提出并論證了長壽命內部電荷分離態（ICS）對2D MOFs光催化性能的提升具有關鍵作用。

　　金屬有機框架（MOFs）作為一種有機-無機雜化類材料，具有種類多樣、結晶性高、比表面積大、結構和功能易調節等特點，是太陽能轉化與利用領域中的熱點材料。近年來，人們發現制備二維（2D）MOFs納米片能夠大幅提升MOFs材料的光催化反應性能。此前，傳統觀點認為納米片結構能夠直接縮短載流子的擴散距離，同時更有利于表面活性位點的暴露，是導致其光催化性能提升的關鍵因素。然而，由于缺乏對光生載流子分離及提取動力學的研究，該過程對2D MOFs光催化性能的貢獻并不明確，確切的光催化反應機理也尚不清晰。

　　本工作中，該團隊利用瞬態吸收光譜技術，對塊體MOFs材料（Mn-TBAPy-BK）及其超聲剝離的MOF納米片（Mn-TBAPy-NS）中的光誘導載流子動力學過程進行了系統研究。研究發現，2D MOF納米片中形成了一個長壽命（可達2μs）、高布居的內部電荷分離態（ICS），該電荷分離態能夠有效促進光生電子由MOF向助催化劑的轉移，并使其電荷提取效率相比于塊體MOFs提升了7.9倍。該結果與2D MOFs納米片光催化水分解制氫反應性能的提升（7.3倍）相符，表明了長壽命電荷分離態的形成是導致光催化性能提升的關鍵因素。此外，團隊結合X射線光電子能譜、拉曼光譜等表征技術，發現了ICS態的形成與錳離子配位環境的變化有關。本工作揭示了內部電荷分離態對2D MOFs納米片光催化性能的提升具有關鍵作用，為高效MOFs光催化的設計和應用提供了理論指導。

　　相關研究成果以“Long-Lived Internal Charge-Separated State in Two-Dimensional Metal-Organic Frameworks Improving Photocatalytic Performance”為題，于近日發表在《美國化學會能源快報》（ACS Energy Letters）上。上述工作得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金、中科院基礎研究領域優秀青年團隊等項目的支持。