光催化技術可以將太陽能直接轉(zhuǎn)化為可再生的化學燃料，是同時解決全球能源危機和環(huán)境問題的有效途徑之一。金屬有機框架(MOFs) 因多樣的拓撲結(jié)構(gòu)、高度有序可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)，高比表面積、廣泛分布的活性位點、較短的光生載流子擴散距離、以及良好的光熱穩(wěn)定性，使其在光催化領域得到了更多的關注和研究。然而，MOFs光催化材料都有著較寬的帶隙結(jié)構(gòu)和較高的電荷傳輸阻力，在光催化領域的應用仍然面臨著光生電荷分離困難和量子效率低等問題。
近日，清華大學的朱永法教授、太原理工的蒙海兵副教授等，將C60分子內(nèi)嵌到鋯基MOFs材料的孔道中，構(gòu)建了一種高結(jié)晶性的MOFs光催化劑。內(nèi)嵌分子與MOFs之間的主客體相互作用，加劇了MOFs上電荷的不均勻分布，產(chǎn)生了顯著的靜電勢，進而增強了內(nèi)建電場，解決了MOFs材料電荷分離和遷移效率低的問題，實現(xiàn)了22.3 mmol g-1 h-1的高效光催化產(chǎn)氫性能。
本工作首次報道了利用MOFs主客體分子之間的強相互作用來構(gòu)建高效的光催化產(chǎn)氫體系。C60分子的嵌入維持了MOFs材料固有的高結(jié)晶性，并且形成了強烈的主客體相互作用。 在NU-901中，電子通常是離域的分布在配體上，而鋯節(jié)點上的電子則聚集和定域，使得配體與節(jié)點之間形成靜電勢差，隨著C60的嵌入，電子從配體轉(zhuǎn)移到C60上，促進了電子的不均勻分布，從而加劇了配體與節(jié)點間的靜電勢差，顯著提高了催化劑的內(nèi)建電場，從而驅(qū)動光生電荷的分離和遷移。 C60@NU-901顯示出優(yōu)異的光催化產(chǎn)氫活性，產(chǎn)氫速率達22.3 mmol g-1 h-1，超過了絕大多數(shù)已報道的MOFs光催化劑。此外，C60@NU-901具有較寬的光響應范圍和優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。 在該工作中，作者通過將 C60 嵌入孔道尺寸匹配的NU-901中，構(gòu)建了一種新穎的主客體MOFs光催化劑。該材料具有強內(nèi)建電場和高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，促進了光生電荷的分離和遷移，實現(xiàn)了高效的光催化產(chǎn)氫，為高性能MOFs光催化劑的設計提供了一種新方法。 論文信息 Enhancing Built-in Electric Fields for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution by Encapsulating C60 Fullerene into Zirconium-Based Metal-Organic Frameworks Liping Liu,+ Haibing Meng,+* Yongqiang Chai, Xianjie Chen, Jingyi Xu, Xiaolong Liu, Weixu Liu, Dirk M. Guldi, and Yongfa Zhu* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202217897
