近年来，传统化石燃料的快速消耗和对其过度依赖引发了包括环境污染和温室效应等许多环境问题。世界范围内，全球各国都达成了减少碳排放的共识。为了实现当前碳减排和未来碳中和的目标，对绿色清洁的可持续能源的需求受到了极大的刺激。将可持续的太阳能转化为化学能源，尤其是氢能源，被视为一种非常有前景的解决方案，有助于实现近期碳减排的目标。然而，当前太阳能制氢面临的一大障碍是，如果要实现规模化的太阳光驱动的析氢反应，需要廉价易得同时具有高活性的光催化剂。近日，来自阿德莱德大学的乔世璋教授，冉景润博士与中国地质大学的的余家国教授合作，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Metal-organic framework with atomically dispersed Ni-N4 sites for greatly-raised visible-light photocatalytic H2 production”的研究文章。该文章展示了含有Ni-N4 的金属有机骨架如何提高CdS在可见光波长范围内的析氢活性。
图1. CdS和复合样品的光催化活性比较图及催化剂的的XRD，N2吸附等温曲线以及BJH孔径分布图在可见光照射下，测试合成的 CdS、CdS/0.1NiIm、CdS/0.2NiIm、CdS/0.4NiIm 和 NiIm 在 10 vol% 乙醇水溶液中的光催化制氢。从上图 a 中可以看出，由于电子和空穴的快速复合以及表面反应位点不足，CdS NR 显示出有限的光催化制氢速率 (1,525 µmol h-1 g-1)。CdS NRs 在 NiIm 上的分散导致光催化活性提高 5,141 µmol h-1 g-1。当NiIm 的复合比例提升至20 wt%， CdS/0.2NiIm表现出最佳的光催化产氢率 (21,712 µmol h-1 g-1)。与 CdS 上的 H2 产率相比，该速率高出约 14.23 倍，这也是迄今报道的性能较好的CdS 基光催化剂之一。
可见光照射 (λ > 420 nm) 会激发 CdS，分别在 CdS 的 导带(CB) 和价带 (VB)上产生光致电子和空穴。 具有层状结构的 NiIm 作为助催化剂，提供足够的 Ni-N4 位点，促进光生电子将质子还原为气态 H2。 同时，CdS VB 上的光生空穴氧化电子供体乙醇，形成氧化产物。因此，CdS 为乙醇氧化的提供了氧化位点。NiIm 在 CdS/NiIm 中的作用总结如下：(i) NiIm 可以促进电子-空穴分离/迁移和 (ii) NiIm 上原子级分散的 Ni-N4 位点可以促进表面 H2 析出反应。该研究不仅证明了光催化剂界面工程提高其催化性能的可行性，而且为寻求廉价易得，环境友好且耐用的MOF基光催化剂用于太阳能转化提供了一种新的途径。作者简介
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通讯作者
乔世璋教授*, 冉景润博士*, 余家国教授*
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