在從化石能源過渡到可再生燃料的過程中，人們對光催化生產太陽能燃料的興趣很大。通過光催化分解水生產氫，由于其在清潔和可再生能源生產中的潛在應用而受到廣泛研究。涉及三個主要過程：光催化水分解過程，包括光收集，光生電子和空穴的分離和遷移，以及光催化劑表面的氫釋放和氧釋放反應。對提高光能利用率和電子空穴分離效率的追求是提高太陽能利用效率的關鍵，這促進了光催化材料的開發和優化。具體來說，有效的電荷分離是整個水分解反應的關鍵因素，這對提高光電化學和光 催化反應的性能非常重要。有效的電荷分離和利用是光催化的關鍵因素。

 

為此，來自南開大學的Jijie Zhang等人在《Advanced Materials》上發表題為“基于金屬-有機骨架的光催化劑，通過空間分離的助催化劑進行優化以實現總水分解”的文章。在此， 證明了氧化和還原助催化劑的完全空間分離提高了電荷分離和表面反應的效力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202004747

具體來說，設計了以Pt和MnOx為助催化劑的Pt @ NH2-UiO-66 @ MnOx（PUM）異質結構光催化劑，以優化NH2-UiO-66光催化劑。與原始NH2-UiO-66，Pt @ NH2-UiO-66（PU）和NH2-UiO-66@ MnOx（UM）樣品相比，PUM樣品具有最高的產氫活性。作為助催化劑，Pt有利于電子的俘獲，而MnOx傾向于聚集空穴， 從NH2-UiO-66生成后，電子和空穴在金屬-有機骨架光催化劑的內部和外部流動，積累在相應的助催化劑上，然后參與氧化還原反應。PUM光催化劑極大地延長了光生電子和空穴的壽命，這有利于電子-空穴的分離。此外，在不存在犧牲劑的情況下，PUM樣品促進了總的水分解，從而證明了其作為MOF型半導體修飾方法在總的水分解反應中的潛力。

圖1. a–d）的透射電子顯微鏡（TEM）圖像：a）Pt NP，b）PU樣品，c）UM樣品和d）PUM樣品。

圖2.a）紫外-可見光譜，b）光電流-時間曲線，c）EIS奈奎斯特圖和d）NH2-UiO-66，PU，UM和PUM樣品的PL發射光譜。

圖3.a）NH2-UiO-66，PU，UM和PUM樣品的時間分辨PL光譜。  b）NH2-UiO-66的TA光譜（激發：365 nm）。  c）NH2-UiO-66，PU，UP，MU，UM，PMU，UPM和PUM樣品的TA動力學示意圖

圖4. a–c）下列物質的光催化產氫速率：a）不同Pt比程序的PU樣品，b）具有不同光沉積時間的UM樣品，以及c）PUM樣品和對照樣品。  d）PUM樣品的回收性能。

圖5.a）PUM樣品和對照樣品中氫和氧的光催化產率。  b）由DMPO在NH2-UiO-66，PU，UM和PUM樣品上捕獲5分鐘的?OH自由基的電子順磁共振（EPR）光譜。  c）在可見光照射下與PUM樣品進行總水分解的反應過程的示意圖

總而言之，本文實現了基于MOF的光催化劑的優化，其中空間分離的助催化劑可用于整體水分解。通過合理結合摻入Pt NPs和沉積MnOx NPs制備并優化Pt @ NH2-UiO-66 @ MnOx樣品中光生電子和空穴的有效分離，大大延長了光激發電荷載流子的壽命并改善了光催化性能。MOF上空間分離的助催化劑的負載也同時加速了表面氧化和還原反應的動力學，并在不存在犧牲劑的情況下促進了總的水分解，從而證明了其對于優化MOF型半導體分裂反應的潛力。（文：SSC）