张凤鸣课题组COFs基Z型异质结构新策略：通过两步电荷分离模式实现高效可见光催化析氢- 大数跨境

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张凤鸣课题组COFs基Z型异质结构新策略：通过两步电荷分离模式实现高效可见光催化析氢

科学材料站

2021-11-13

导读：本文首次通过原位刻蚀法合成纳米级金属氧化物WO3，构筑新型核壳Z型异质结构WO3@TpPa-1-COF。

文章信息

两步电荷分离模式下的共价有机框架基WO₃@COF/rGO异质结构用以高效可见光催化析氢

第一作者：闫函，刘宇涵

通讯作者：魏金枝*，王雅*，张凤鸣*

通讯单位：哈尔滨理工大学

研究背景

光催化分解水制氢是一种以绿色方式获取氢气的有效途径。近年来共价有机骨架（COFs）光催化剂由于其具有高孔隙率、结构多样性和稳定性、能带可调性等优点受到了广泛关注，特别是因其优异的可见光吸收能力被认为是有前途的可见光催化剂之一。

单一的COFs光催化剂内部仍存在严重的光生电子和空穴的复合现象，通过构筑Z型异质结构可有效促进光催化剂内部光生电荷的分离，并最大限度地保留光催化剂的氧化还原能力。但在两组分间及还原组分与助催化剂间的电荷传输效率进一步影响着Z型异质结构光催化剂的催化水分解产氢性能。

所以，合理设计构筑COFs基Z型异质结构，进一步调控异质结构内部电荷传输性能并最大化的利用还原端的光生电子，获得具有优异产氢性能的可见光催化剂，具有重要的价值和意义。

图1. WO3@TpPa-1-COF/rGO三元复合材料合成示意图

本文要点

要点一：首次通过原位刻蚀法合成纳米级金属氧化物WO₃，构筑新型核壳Z型异质结构WO₃@TpPa-1-COF。

刻蚀后的超小纳米WO3被TpPa-1-COF紧密包覆，WO3内的光生电子容易传递至TpPa-1-COF，形成高效的Z型异质结构，实现对光生电子空穴对的有效分离。

要点二：提出固态电子介体rGO在Z型异质结构中的新型添加策略，构筑两步电子迁移模式。

将固态电子介体rGO准确附着在WO3@TpPa-1-COF的表层，不仅作为电子收集器，还为还原端光生电子迁移至助催化剂表面提供了有效传输通道，介导光生电子发生二次转移，二次促进光生电荷的分离，调控实现了Z型异质结构内光生电子的最大化利用。

要点三：首次构筑COFs基三元异质结构，实现高效可见光驱动产氢。

在可见光照射下（λ≥420 nm），WO3@TpPa-1-COF/rGO（30%）展现出优异的催化水分解产氢性能，产氢速率高达26.73 mmol·g^-1·h^-1 (相对于TpPa-1-COF和WO3@TpPa-1-COF分别提升近12倍和1.6倍)，优于目前报道的大多数COFs催化剂。并且在经过25小时的循环测试后依然保持性能稳定。

图2. (a) 系列材料光催化析氢测试,(b) 不同rGO含量的系列三元复合材料光催化析氢测试，(c) 已报道的各种COFs光催化剂产氢活性比较，(d) WO3@TpPa-1-COF/rGO(30%)的光催化析氢循环试验，(e) WO3@TpPa-1-COF/rGO(30%)的表观量子效率(AQE)及的波长依赖性测试

文章链接

Covalent organic framework based WO3@COF/rGO for efficient visible-light-driven H₂ evolution by two-step separation mode

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721049780

DOI: 10.1016/j.cej.2021.133404

通讯作者简介

张凤鸣博士

哈尔滨理工材料科学与化学工程学院教授、博士生导师、副院长，黑龙江省CO2资源化利用与能源催化材料重点实验室主任。主要从事晶态材料(MOFs/COFs)研究，致力于晶态材料在光/电催化水分解产氢、产氧，二氧化碳捕获和原位转化等领域的应用探索。2014年获得黑龙江大学无机化学博士学位，2015年-2017年南京师范大学博士后，合作导师: 兰亚乾。2018年-2019年美国加州大学河滨分校访问学者，合作导师：Prof. Pingyun Feng。近五年，以第一和通讯作者在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Energy Lett.，Appl. Catal. B-Environ.，J. Mater. Chem. A等高水平期刊发表SCI论文50余篇，其中ESI高被引论文4篇，申请发明专利21项（已授权11项）。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，省自然科学基金项目、理工英才“杰出青年”项目等科研项目10余项，担任黑龙江化学会理事，获得黑龙江省高校科技一等奖（排名第一）、哈尔滨市青年科技奖等省市级荣誉。