基于金属—有机骨架构筑复合光催化材料及其可见光光催化制氢性能

2017-03-03周利君杨媛曹孟雪张思锐西安电子科技大学陕西西安710126

化工管理 2017年27期

周利君杨媛曹孟雪张思锐(西安电子科技大学，陕西西安 710126)

周利君杨媛曹孟雪张思锐(西安电子科技大学，陕西西安 710126)

我国目前困扰人类社会的最主要问题就是能源短缺，因此当前人们最重要的是寻找到新型的清洁能源。氢气具有产物无污染优点，是最有潜力的清洁能源，另一方面，水是地球上最为丰富的资源，直接利用太阳能制取氢气，是制备清洁能源的一种重要技术。因此，当前人们最主要的研究课题就是如何利用水、太阳能来制造出氢气。而在太阳能制造氢气的过程中，光催化材料是非常重要的组成部分。金属-有机骨架作为新型的光催化材料，逐渐进入人们的视野并引起广泛关注。

光催化材料；可见光光催化；金属-有机骨架

当今社会经济飞速发展，人们对能源的需求也在不断增长，能源的不断消耗也带来了最突出的问题就是能源短缺。目前人类活动基本上都是依靠化石能源，但这些资源面临着枯竭的困境。同时，化石能源又带来环境污染问题，正威胁着全球的生态环境。所以开发新型能源至关重要。新型能源清洁无污染，被认为是理想能源。近年来，氢能源越来越受到人们的关注，工业化生产氢气能够解决能源危机问题。而太阳能又是取之不尽的自然资源，利用太阳能转化制氢，能够极大的节约能源，并且安全无污染，是当前最理想的制氢方法。因此，利用可见光制氢已经成为当前最具前景的研究课题。

1 光催化分解水制氢

人类在经济发展的同时加剧了能源危机，因此光催化制氢技术的研究被人们所关注。传统的半导体，在过去被人们用来光电分解水，并以此来制造氢气。但是半导体也有很多的不足之处。

光分解水制氢分为三个过程

(1)光吸收

半导体材料决定了对太阳光的吸收范围，水的分解电解电压是1.8 eV左右，因此如果想要利用可见光催化来制造氢气，那么就需要专门的光催化材料，这种材料的禁带宽度必须足够大，需要大于水的分解电压才行。

(2)光生电子和空穴

半导体价带上电子被激发，光生电子跃迁至催化剂表面发生反应。因此，当催化材料的洁净度足够好的话，光催化的活性也就越强，那么对水的氧化还原的几率就越大，性能就越好。

(3)表面氧化还原反应

光激发产生的电子具有很强的还原能力，发生H20的还原反应，空穴则产生H20的氧化反应。

2 金属-有机骨架材料的应用

金属-有机骨架材料是由铝、铁、锌等金属组成，并且这种材料是通过自组装形成的，晶体表面的孔隙非常多。金属有机骨架材料中金属原子与配体结合得非常紧密，具有极高的比表面积和孔隙率，骨架结构多孔且不易坍塌，在吸附、催化等方面都能够得到很好的应用，应用前景非常广发。金属-有机骨架材料的合成有四种最主要的方法，晶粒尺寸小的一些金属-有机骨架合成使用的方法是微波法，密闭的体系中生成晶体使用的方法是水热合成法，合成小晶粒金属-有机骨架材料的最有效方法就是超声化学合成法，然而电化学合成法能够在常温和常压这种条件下才能够完成，这种电化学合成法能够被精确的控制，是比较高效和方便的合成方法；根据不同金属-有机骨架材料的特点，能够和传统的合成方法进行互补，来得到不同性质的金属-有机骨架材料。

3 金属-有机骨架构筑光催化材料的优势

基于金属-机骨架材料构筑复合型光催化材料。金属-有机骨架是由金属离子中心形成的多孔固体材料，具有结构可裁剪等突出优点。光催化反应过程中，水分子可以填充于金属-有机骨架的表面中，大大缩短载流子在空间上的输运距离。同时，金属-有机骨架通过简单的物理方法能和其它化合物复合，开发金属-有机骨架材料进对太阳光吸收的同时减少贵金属的使用，使其成为催化请能高、成本低廉的新型光催化剂。

4 金属-有机骨架的光催化制氢性能

构建光催化剂，最重要的是基础材料的性质，取决于材料本身的光吸收性能。金属有机骨架材料在光催化反应中有利于电子传递，易于改性，其化学稳定性高，在甲醇溶液中

具有光催化制氢活性。金属-有机骨架呈正八面体型。金属-有机骨架是典型的高活性半导体光催化剂，是理想的可见光的光催化剂，而且，同其他催化剂藕合可以提高耐光性。采用水热法准备高度结晶的金属-有机骨架八面体复合纳米颗粒，并对合成的复合物进行了可见光光催化制氢实验，通过实验我们发现，金属-有机骨架所制备的复合物，稳定性能得到很大的提高，制氢性能非常好。