Angew综述：MOF光催化剂的发展

纳米技术

2021-07-03

MOF虽然是一种固体材料，但是其表现可广泛调控的物理性质，通过模块化、分子修饰MOF材料，对其中的有机组成部分、无机组分进行调控，能够在MOF材料中实现有趣的光催化剂，但是MOF材料由于其表现为分子结构组成同时具有多孔结构，因此其光催化性质与分子均相催化剂、半导体光催化剂不同，同时相关描述符在理论上和实验上存在区别。有鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学Jorge Gascon、奥尔胡斯大学Maarten Goesten等综述报道MOF催化剂与经典半导体光催化剂之间的类似性、MOF在溶液相催化反应过程中如何体现类似分子催化剂。作者通过能带理论进一步的对其性质进行阐述。

本文要点：

（1）

作者对能带理论的CBM/VBM、HOMO/LUMO概念进行说明，对MOF材料通过分子、金属位点调控能带结构，基于能带理论提出了合成新型具有合适光催化能带结构的MOF材料策略。进一步的作者总结能带色散现象以及调控能带色散现象，能带色散现象在VBM、CBM附近都有表现，提出当载流子的有效质量较低，能够实现更好的光催化性能。

（2）

实验表征能带结构。人们通过XPS、UPS、PESA等实验能够测试VBM结构，通过IPES能够测试CBM结构，通过循环伏安电化学测试能够直接得到MOF材料的能带结构；能带对齐性质。通过Mott-Schottky分析能够测试MOF材料的能带对齐性质。

（3）

理论存在的缺陷。通过Butler, Hendon, Walsh发表的方法能够在较准确的条件计算能带对齐能量，但是目前理论与实验之间的差距经常未得到验证。同时，由于MOF材料通常在溶剂中进行光催化反应、同时具有一定的柔性，因此导致实际情况中MOF与分子光催化剂、半导体固体光催化剂产生区别，比如MOF孔道中的溶剂与MOF之间产生显著的相互作用，将导致电化学性质、能带结构受到影响，而且可能导致载流子传输寿命变化。由于MOF具有柔性，MOF材料与半导体材料产生区别，有报道提出由于“呼吸”作用导致结构变化将导致能带结构、能带对齐产生非常大的改变，变化程度能够达到eV数量级。

（4）

总结。MOF材料在作为光催化剂能够同时表现分子特征、非分子特征，同时目前各种新型MOF材料仍在不断发展。

参考文献

Nikta Kolobov, Maarten Goesten*, Jorge Gascon*, Metal-Organic Frameworks: Molecules or Semiconductors in Photocatalysis?, Angew. Chem. Int. Ed. 2021

DOI: 10.1002/anie.202106342

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202106342