福州大学李朝辉/吴棱课题组综述：高效光催化金属有机框架(MOFs)构筑策略的研究进展

邃瞳科学云

2023-12-29

导读：该工作系统地总结了通过调控MOFs基材料的组成和结构从而达到提升其光催化性能的不同策略，并就MOFs基材料光催化所面临的机遇、挑战及其发展趋势提出展望。

DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64556-5

https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64556-5 (点击链接到Elsevier网站，下载全文）

前言

近日，《催化学报》在线发表了福州大学李朝辉教授和吴棱教授团队在金属有机框架(MOFs)材料用于光催化领域的最新综述文章。该工作系统地总结了通过调控MOFs基材料的组成和结构从而达到提升其光催化性能的不同策略，并就MOFs基材料光催化所面临的机遇、挑战及其发展趋势提出展望。论文第一作者为：刘成，论文共同通讯作者为：李朝辉教授和吴棱教授。

背景介绍

面对全球能源短缺和环境污染等问题，发展绿色、可持续的能源来替代传统的化石能源成为迫切需求。太阳能作为一种清洁可再生能源，其有效转化与利用受到了广泛关注。光催化将太阳能转化为化学能，其核心是新型高效的光催化材料。金属有机框架材料(MOFs)是一类由金属或金属节点与多齿有机配体相互连接而成的微介孔材料，具有独特的组成结构和特性，有望成为有应用前景的光催化材料。目前已有一些关于MOFs基光催化的综述，但考虑到该领域在过去几年迅速发展，为了研发高效的MOFs基光催化材料，非常有必要对已经报道的用于提高MOFs基光催化剂性能的策略进行总结。

主要创新点

本综述重点总结了已报道的通过调控MOFs基材料的组成和结构的策略来提升其光催化性能的最新研究进展。首先，简要介绍了MOFs基材料的结构特点及其在光催化领域应用的优势，阐述了MOFs基材料光催化的基本原理，提出了影响其光催化性能的关键因素。其次，阐明不同结构调控策略通过优化关键因素进而提高光催化性能的原理，具体包括MOFs基材料中金属掺杂、配体功能化、超薄二维材料构筑以及缺陷工程策略。然后，通过总结典型案例，详细讨论了上述策略如何通过调控MOFs基材料的组成和结构来优化关键因素，从而提高MOFs基材料的光催化性能。最后，针对MOFs基材料光催化所面临的机遇、挑战及其发展趋势提出展望。

主要研究结果

图1. 金属离子/簇与多齿状有机配体相互连接形成MOFs示意图。

要点：

光催化的核心是新型高效的光催化材料。除了传统的半导体光催化材料外，近期研究表明，MOFs是一类非常有前景的新型光催化材料。它是一类由金属离子/簇与多齿状有机配体相互连接构成的多孔晶体材料，可以吸收光来直接激发金属簇或激发有机配体来产生电荷分离态，因此它与半导体光催化剂类似，可应用于光催化反应。MOFs作为光催化材料的优越性在于有机配体的多样性和金属离子丰富的配位模式所赋予其丰富的组成结构，从而使得利用MOFs结构的调控来实现其对太阳能的有效利用成为可能。而且由于MOFs具有明确的组成和结构，且易于调节，因此MOFs材料也是探索光催化体系中组成-结构-性能关系的一种理想模型，可为分子水平上合理设计和研发光催化材料提供指导。

图2. 本综述的内容示意图。

要点：

光催化过程通常包括三步骤：(1) 光激发产生光生电子/空穴对；(2) 光生电子/空穴的分离及其向表面催化活性位点的转移；(3) 光生电子和空穴与催化活性位点表面上吸附的底物之间的反应。因此，光催化剂的活性受三个主要因素的影响，即光吸收能力、电荷分离效率以及催化活性位点。为了在MOFs上实现高效的光催化，金属掺杂、配体功能化、通过将体相MOFs转化为超薄二维MOFs、缺陷工程等策略都被应用于MOFs基光催化剂中，以提高其光吸收能力，光生载流子的分离和迁移，并为化学反应创造催化活性位点。

全文小结

1. 介绍了已报道的通过调控MOFs基材料的组成和结构的策略来提升其光催化性能的最新研究进展。

2. 阐明不同结构调控策略通过优化关键因素，即光吸收能力、电荷分离效率以及催化活性位点，进而提高光催化性能的原理。

3. 未来展望：(1) 影响MOFs基光催化剂效率的因素是多方面的，因此将不同策略相结合有利于更好地提高MOFs基光催化剂的性能；(2) 特别注意MOFs基材料在光催化条件下的稳定性，特别是其在水中的反应体系；(3) 先进原位表征技术的发展和理论研究的深化对于高效MOF基光催化系统的设计及机理研究至关重要；(4) MOFs基材料的多功能性可以使其作为光诱导一锅多步反应的多功能催化材料，应大力开展研究。

作者介绍

李朝辉，福州大学能源与环境光催化国家重点实验室，教授，博士生导师，福建省“闽江学者”特聘教授，教育部“光催化基础与应用”创新团队带头人。主要研究方向为：纳米催化/光催化材料、光诱导有机合成。在Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，Chem. Commun.，Chem-Eur. J.，Appl. Catal. B: Environ.，J. Phys. Chem. C，Cryst. Growth. Des.和Inorg. Chem等国际一流期刊上发表论文百余篇。作为项目负责人已顺利完成国家自然科学基金，“973计划前期专项”、福建省自然科学基金、福建省青年科技创新人才基金、福建省科技专项基金和教育部留学回国人员启动基金等多项基金。作为主要技术骨干还参加了国家自然科学基金重点项目、“973计划”、国家重大基础研究前期研究专项和福建省基础研究重大项目等多个项目。

吴棱，福州大学能源与环境光催化国家重点实验室，教授，博士生导师。主要研究方向为：新型超薄二维纳米材料和MOFs材料的设计合成及光催化性能。在Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Catal.，Appl. Catal. B，J. Catal，J. Mater. Chem. A，Chem. Commun等国际一流期刊上发表论文200余篇，被SCI引用超过10000次，H-指数已达62。已获授权中国发明专利16件。作为项目负责人已完成和正在开展的项目有国家自然科学基金、973前期专项、福建省重大科技项目和福建省科技专项基金。入选福建省 “百人计划”人才，曾获福建省自然科学奖四次和卢嘉锡教育基金会优秀导师奖。

文献信息：

Cheng Liu, Hurunqing Liu, Jimmy C. Yu, Ling Wu *, Zhaohui Li *, Chin. J. Catal., 2023, 55: 1–19 (点击链接到Elsevier网站，下载全文）

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