ZIF-8/g-C3N4 复合材料光催化性能研究进展

2021-01-05张姝沁彭龙新许雪源刘建栋杨宇杰张梦陈萍华

天津化工 2021年1期

张姝沁，彭龙新，许雪源，刘建栋，杨宇杰，张梦，陈萍华＊

（南昌航空大学环境与化学工程学院，江西南昌330063）

1 引言

石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型非金属光催化剂，具有制备方法简单、稳定性高、无毒、环保等众多优点，被广泛应用于光催化领域，如还原CO2[1]、光催化裂解水产氢、光降解有机污染物[2]和光解水产氧[3]等，在能源和环境净化方面具有很广阔的研究空间。其中，由于氢能的清洁性和热值高的特点，光催化水产氢受到了广泛关注。

金属-有机骨架（MOFs）是一类新型的多孔有机-无机杂化材料，除了传统的半导体光催化剂外，由于其独特的结构特性，近年来成为一种新型的光催化材料[4]。MOFs 由有机配体和金属离子或金属离子簇配合而成，具有比表面积大、热稳定性高、易回收、结构多样、性质可调等优点[5]。且其孔径大小、比表面积、不饱和金属位点等都可以通过合理地选择金属离子和有机配体来调控[6]。所以，基于以上特性，MOFs 被广泛的应用于能源储存与转化[7，8]、催化[9，10]、吸附[11～13]、分离[14～16]、气体储存[17]、传感[18]、医疗[19]等领域。沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIFs）是MOFs 材料的一种，主要利用有机咪唑酯配体与金属离子通过配位作用自组装形成具有超分子微孔网络结构的类沸石化合物[20]。ZIF-8 作为类ZIFs 的典型代表，具有良好的水热及化学稳定性，且具有较大的比表面积。

2 ZIF-8/g-C3N4 复合材料光催化的研究意义

g-C3N4由于其种种优点，在光催化产氢领域得到了广泛的研究。然而，单纯的g-C3N4存在光电复合效率高、电导率低、相对表面积较小、可见光吸收率低等问题，所以光催化性不高。我们可以通过负载助催化剂[21～23]、引入多孔结构[24]、元素掺杂[25、26]等手段改善g-C3N4的光催化性能。

MOFs/g-C3N4复合材料具有良好的光催化性能，是基于异质结的形成能有效促进光诱导电子－空穴在反应中的分离和转移[27]。g-C3N4与ZIF-8 复合后，利用MOF 的优势将g-C3N4与ZIF-8 结合形成半导体异质结，可以增大g-C3N4的比表面积以及光学和电化学性能，可以提高g-C3N4的光催化产氢性能[28]。这样不仅可以大大降低电子空穴间的复合概率，还可以解决对太阳能的利用效率不高、容易发生光腐蚀等问题。

3 ZIF-8/g-C3N4 复合材料光催化研究进展

王茀学[29]采用原位合成法，将Zn 系MOFs 材料ZIF-8 与g-C3N4进行复合。经实验探究后得出ZIF-8/g-C3N4复合材料在可见光下具有光催化活性，且g-C3N4与ZIF-8 复合比例对产物光催化活性有明显影响，当ZIF-8∶g-C3N4=4∶1 时产物活性最高。Liu 等[30]通过水热法制备了ZIF-8/g-C3N4复合材料，结果表明，当ZIF-8 含量为3%时，ZIF-8/g-C3N4复合材料具有良好的光催化活性，在光照下60 min 内对罗丹明B 的降解率可达99.8%左右。Yuan 等[31]采用超声波原位法制备ZIF-8/g-C3N4光催化剂，结果表明，超声原位方法有助于阻碍g-C3N4的聚集，ZIF-8/g-C3N4增强了底物吸附和电荷转移和分离，及该复合材料是有易于光催化活性的提升的。

高聪聪[28]在g-C3N4/多酸的基础上复合ZIF-8，形成g-C3N4/多酸/ZIF-8 光催化剂，有效提高了g-C3N4空穴和载流子的分离效率，提高g-C3N4的光学和电化学性能，进一步提高了光催化产氢的速率。实验采用原位沉淀法制备了g-C3N4/MOF 复合催化剂，证明了双金属MOF 有产氢性能。同时，构筑了g-C3N4/ZnCo-ZIF、g-C3N4/ZnCu-ZIF、g-C3N4/ZnNi-ZIF 复合双金属MOF 光催化剂，其中g-C3N4/ZnNi-ZIF 光催化剂的产氢性能最优。并且，如果在g-C3N4/MOF 复合催化剂的基础上负载贵金属Pt，还可以进一步提高产氢效率。同时，实验以g-C3N4/ZIF-8 为前驱物采用水热法一步合成了g-C3N4/ZnCdS 半导体异质结，g-C3N4/ZnCdS 采用水热法再掺杂P，形成P 掺杂的g-C3N4/ZnCdS 半导体异质结。实验结果显示，通过形成异质结，提高了g-C3N4载流子的传输效率，并提高了g-C3N4的光催化性能，复合材料的产氢效率进一步提高。

Tian 等[32]报告了一种具有可控形态和界面的ZIF-8/g-C3N4复合材料，发现ZIF-8 纳米颗粒均匀锚定在改性棒状材料上。在发光二极管照明下，与块状ZIF-8 材料相比ZIF-8/g-C3N4复合光催化剂表现出显著的析氢性能。产氢效率的提高可归因于电子－空穴分离，电荷传输和氧化还原能力的协同改进。