大家好！我是中国科学技术大学熊宇杰老师课题组的博士生邓希！今天主要是想通过介绍我们课题组的一个工作从而为刚进入或即将进入实验室，还不知道如何着手科研工作的同学们一些引导和启发。
今天要介绍课题是《MOFs涂层提高Cu2O光电催化CO2还原的性能》，那这个课题是如何确定的？具体的工作又是如何展开的呢？接下来，我会从以下五个方面给大家做具体的介绍。
作为科研工作者，我们是希望通过科学研究的方式解决人类面临的一些问题。众所周知，当下环境问题日益严重，而产生这类问题的主要原因之一就是CO2的大量排放，在全球都倡导节能减排的同时，如何降低大气中的CO2浓度也成为了科研工作者的研究重点。但是CO2以一种非常稳定的分子，不容易发生化学反应，那我们又该如何去实现它的转化呢？由于化学起源于自然，于是我们回归自然，自然界就是利用植物的光合作用，将二氧化碳转化成可以利用的能源，从而实现碳循环的稳定。于是我们可以利用人工光合作用实现二氧化碳的转化。
对于光催化体系，它的原理是，在光照作用下，半导体产生光生电子和空穴，其光生电子用于CO2还原。这个体系实现了零能耗的CO2转化，但是纯光催化的普遍缺点就是太阳光利用率低，产生的光生电子和空穴分离率低并且产物选择性差。于是我们又考虑到另一个常见的体系即电催化体系，它是利于外加偏压的作用产生电子，作用于催化剂用于CO2还原，这样就能实现定向的电子转移，然而它的能耗较大，并且选择性也差。
所以我们就想将二者结合，结合二者的优势又能弥补不足，于是我们就选择了光电催化体系用于CO2还原，这个体系实际就是在光催化的基础之上外加偏压，这样可以将光生空穴定向转移到阳极，从而实现了光生电子和空穴的分离，并且外加偏压可以提高还原电势，促进CO2还原。相对于纯电催化，光的作用可以降低偏压减少能耗。所以我们选择的光电催化实现了光和电的完美结合。利用这样的人工光合作用来实现二氧化碳的转化。
确定光电催化体系后，接下来就是基于这个体系的催化材料的选择。对于太阳能驱动二氧化碳转化的催化剂需要满足两个要素：一是吸光单元，即吸收太阳光子，将其能量用于化学转化；二是催化位点，即作用于二氧化碳分子实现定向化学转化。由于CO2还原是发生在光阴极，于是我们就只能选择P型半导体。常见的P型半导体氧化亚铜，对可见光有很好的吸收，可以很大程度利用太阳能，并且Cu可以作为CO2还原的催化位点，同时满足了两大要素，于是氧化亚铜成为了我们选择。
然而氧化亚铜易光腐蚀，光照下自身会发生氧化还原反应，使催化位点发生化学反应，这不利于催化反应的进行。那我们就需要保护它，避免发生光腐蚀。于是我们就想到生活中经常遇到的铁易生锈现象，人们会在铁制品表面涂一层保护涂层，来避免铁的生锈，同样的我们把它应用到我们的材料，希望用涂层来保护氧化亚铜来避免光腐蚀。但是涂层会和氧化亚铜之间形成界面，不利于催化反应过程中的电荷转移，于是我们就想到用原位生长MOF材料的方式形成表面涂层，这样就可以实现高效的电荷转移。然而表面涂层还会覆盖催化位点，降低催化反应活性，于是我们就想到用Cu基的MOF，Cu-BTC来做涂层。
于是我们就确定了我们的课题——MOFs涂层提高Cu2O光电催化CO2还原的性能
1.材料制备
那接下来就是我们的材料制备了，我们采用电沉积的方式在导电玻璃表面沉积一层氧化亚铜薄膜，再通过原位生长的方式，在氧化亚铜表面形成这种枝条排列状的Cu-BTC，从扫描电镜图像中可以很清楚的看到它们的形貌。
2.材料表征
那我们又该如何确定我们合成的材料呢？接下来就需要一系列的表征。
这是我们材料的切面的投射电镜图像，浅色区域是氧化亚铜，深色区域是Cu-BTC，我们选取这个交界处测得其元素线性分布，可以看出横跨交界线，其元素含量发生了明显的变化，并且其比例和氧化亚铜以及Cu-BTC一一对应。其高分辨显示出明显的氧化亚铜晶格条纹和氧化亚铜的电子衍射。进一步通过红外光谱和拉曼光伏确定得到了Cu-BTC的特征峰，说明了Cu-BTC成功包覆在氧化亚铜表面。
我们又通过同步辐射的X射线光电子能谱测得材料表面Cu的价态，氧化亚铜表面主要以一价Cu的形式存在，而包覆了Cu-BTC后，二价铜的含量明显增加，进一步说明了Cu-BTC成功包覆在氧化亚铜表面。
那Cu-BTC是否真的和我们之前设计一样，可以实现光生电荷的转移和分离吗？我们通过同步辐射光电子能谱和紫外可见吸收光谱计算得到各自的能带结构图，Cu-BTC的LUMO轨道位置低于Cu2O导带位置，这样光激发电子会优先转移到Cu-BTC，进而用于CO2还原。我们又测得其光电转化效率发现包覆后效率显著提高，也就是电荷分离和转移效率的提高。我们又通过超快瞬态吸收光谱测得其电子动力学过程，验证了Cu-BTC提高光生电子的分离。
所有的表征都表明了Cu-BTC的包覆可以实现高效的电荷分离和转移。那接下里是我们就用这个材料进行催化实验测试。
3.CO2光电催化测试
可以看到包覆Cu-BTC后的氧化亚铜光电催化CO2还原产物显著增加，并且法拉第效率和光转化效率都得到明显的提升，我们又通过同位素确定产物CO全部来自于CO2的还原。我们之前提到过，氧化亚铜存在明显的光腐蚀，那包覆后是否还不稳定呢？我们又进行了长时间光照的电流测试和光响应测试，发现电流和光响应几乎没有变化，验证了我们材料的稳定性。
进一步，我们又通过同步辐射的X射线光电子能谱测得反应后Cu的价态，单纯的氧化亚铜几乎都被氧化，主要以二价形式存在，而包覆Cu-BTC后的氧化亚铜价态几乎没有发生变化，说明了包覆Cu-BTC涂层确实提高了氧化亚铜的稳定性。
4.结论
最后我们得到我们的结论，我们通过原位生长的方式在氧化亚铜表面形成Cu-BTC涂层，其在PEC催化CO2还原中起到三重作用；1.保护 Cu2O 免受光致腐蚀 2.促进电荷分离和界面电子转移到活性位点 3.提供催化 CO2 还原的活性位点。
这就是我们课题从设计到合成到表征验证到实验验证再到总结结论的全过程，希望这次的讲解可以给大家带来一些帮助。
除此之外，还想给大家分享一些课题背后故事。其实我们的每一个课题都不会是一帆风顺的，总会遇到很多的问题，那我们又是如何解决的呢？
1.注意实验细节
例如在我重复电沉积氧化亚铜合成的过程中，突然有一段时间一直重复不出来，当时不断地去排除可能的原因，例如PH，试剂纯度等等的影响，持续了一个多月的排除实验，但始终都找不到原因。后来发现实验室纯水机在那段时间出了一点问题，电导率达不到理想值，而在电沉积过程中对超纯水的要求非常高，所以导致了合成问题。
相似的，还有在重复原位生长Cu-BTC过程中，也面临着突然重复不出来的问题，当时也花了很多的时间去排除原因，后来发现是我们均苯三甲酸变质导致。都是一些奇奇怪怪的原因。
我们在实验过程中，会经常遇到实验重复不出来的情况，这个时候就需要大家多注意实验细节，很多我们容易忽略的细节很有可能导致了很大的问题。
2.抱有匠心，缓解压力
长期性实验重复不出来，会让我们失去耐心，产生很大的压力。如果大家遇到这样的情况，一定要放平自己的心态。因为做科研，就像做木匠一样，需要慢工才能出细活。所以大家一定要抱有一颗匠心，慢慢去寻找这个过程中的原因。心理上的压力一定要学会去释放。我释放压力的方式，比如运动，大汗淋漓一场；或者看书，我比较喜欢看余华的作品，比如说《活着》、《许三观卖血》、《兄弟》等等。这里面的主人公都会经历难以想象的悲惨生活，但是他们都会用非常积极乐观的态度去面对自己的生活。相比之下，我们面对的其实不算什么，所以我们就更应该用积极乐观的态度去应对生活当中所有的问题。如果没有时间去阅读的话，我会选择听一些有声读物。朗读者声情并茂的朗读，会让我很快平复心情。
3.多学习实验技能
还有大家有机会一定要多学习实验技能，大家看到文章里的扫描电镜的侧视图，其实也是经历了很多很多次的拍摄才呈现出这个效果。因为我们材料自身原因，在制备扫描样时很容易被物理破坏，导致我们在拍摄过程中很难看到完整的界面图像，所以只能反反复复制备拍摄。所幸的是，在读研初期我就学习了扫描电镜的使用，可以自己完成拍摄，所以可以自己约机时及时测试，并且自己对自己的样品会更加熟悉，更容易达到拍摄效果。
如果视频前的你，也在从事科研工作，建议可以多学习一些仪器使用技能，比如我们课题组几乎每个人都会使用1-2个仪器，如投射电镜，扫描电镜，xrd,红外，拉曼甚至同步辐射的仪器等等表征测试仪器，这样对我们之后的工作会有很大的帮助。
4.多看文献
我们会遇到很多奇怪的实验现象，跟我们设想的不一样，那应该怎么办呢？例如，我们包覆Cu-BTC之后的材料催化反应后Cu价态预期是和催化前保持一致的，但测得Cu价态发现有很少量的0价Cu存在，而且是在催化反应初期就就会存在，但对稳定性又并没有影响，于是我们调研文献发现，极少量的零价Cu是利于CO2还原的。这也是我们包覆材料活性明显提升的一个原因。
所以，当你遇到一些不能理解的实验现象时，一定要找文献，文献会给你最好的理论证据。
