CAJ | 학술논문

环境污染和能源短缺是制约当今社会发展的重大问题。光催化技术可直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应,具有能耗低、反应条件温和、无二次污染等优点,是解决这一问题的有效途径。实现这个过程的关键在于寻找设计高效的光催化剂。目前,光催化材料主要由无机半导体组成,其结构的改造和修饰难度很大,难以根据实际需要来控制其大小、形状以及物理化学特性。而有机化合物具有优良的分子剪裁与修饰的功能,但它们却在坚固性与稳定性等方面具有明显的缺点。因此如果能发展既具有无机化合物的稳定性又具有有机化合物的可剪裁与修饰性的新型光催化材料,无疑将促进光催化的发展和应用。金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)正是这样一类结合了无机物的稳定性和有机物的可修饰性的杂化材料。 MOFs是一类以金属阳离子为节点、有机配体为连接体的多孔配位聚合物的总称。这类材料不仅拥有超高的比表面积、丰富的拓扑结构,而且其结构兼具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,在气体吸附储存、分离、传感等领域都有广泛的应用。在催化领域MOFs也显示出巨大的应用前景：(1)比表面积大,有利于对反应底物的吸附,促进催化反应的进行；(2)组成多样,结构具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,通过对其金属单元或者配体进行改变修饰,可以实现对MOFs结构和性能的调变；(3)MOFs中金属-氧单元之间由有机配体隔开,相当于分立的半导体量子点,在反应中不易发生团聚。并且各个分立的金属-氧单元之间可能存在协同效应,有利于保持催化剂的稳定性和产生高的催化活性。因此, MOFs材料是一类非常有潜力的异相催化剂。光催化是一类典型的多相催化技术,与传统半导体光催化材料相比, MOFs由于具有可在分子水平进行灵活调控的优点,在光催化领域的应用更有优势。此外, MOFs结构上的确定性为研究催化剂的界面电荷迁移和光催化机理提供了便利条件,通过对其构-效关系的研究和光催化反应机理的探索反过来有助于我们从微观尺度上进一步认识光催化的本质。 MOFs材料在光催化领域已经有了初步的研究。越来越多的MOFs材料被成功应用于光催化降解染料、选择性转化有机物、光解水制氢和CO2还原等反应。典型的有MOF-5、UiO-66和MIL-125系列等。近年来,已有少量的文献综述了MOFs这类材料在光催化领域的研究。这些文献主要围绕MOFs在光催化过程中所起到的作用,比如作为催化剂、助催化剂或载体来展开；或者是从MOFs的光催化应用领域,比如污染物降解、产氢、二氧化碳还原、有机物转化来分类展开。本文围绕如何设计合成高效的MOFs光催化剂,综述了近年来国内外关于提高MOFs的光催化性能而开展的相关研究工作,包括理论研究MOFs的能级结构及化学性质、在MOFs配体上修饰官能团调变其能带结构、染料或者金属化合物光敏化MOFs提高其光吸收性能、负载金属/碳材料及半导体复合提高光生载流子的分离效率等。最后,本文对MOFs光催化剂的未来发展趋势进行了展望,强调开发新型的MOFs光催化剂,并加强对MOFs光催化机制的研究,有助于指导现有MOFs催化剂的改良和设计新型光催化剂。環境汙染和能源短缺是製約噹今社會髮展的重大問題。光催化技術可直接利用太暘能驅動一繫列重要的化學反應,具有能耗低、反應條件溫和、無二次汙染等優點,是解決這一問題的有效途徑。實現這箇過程的關鍵在于尋找設計高效的光催化劑。目前,光催化材料主要由無機半導體組成,其結構的改造和脩飾難度很大,難以根據實際需要來控製其大小、形狀以及物理化學特性。而有機化閤物具有優良的分子剪裁與脩飾的功能,但它們卻在堅固性與穩定性等方麵具有明顯的缺點。因此如果能髮展既具有無機化閤物的穩定性又具有有機化閤物的可剪裁與脩飾性的新型光催化材料,無疑將促進光催化的髮展和應用。金屬-有機骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)正是這樣一類結閤瞭無機物的穩定性和有機物的可脩飾性的雜化材料。 MOFs是一類以金屬暘離子為節點、有機配體為連接體的多孔配位聚閤物的總稱。這類材料不僅擁有超高的比錶麵積、豐富的拓撲結構,而且其結構兼具可剪裁性、可設計性、易調變等特點,在氣體吸附儲存、分離、傳感等領域都有廣汎的應用。在催化領域MOFs也顯示齣巨大的應用前景：(1)比錶麵積大,有利于對反應底物的吸附,促進催化反應的進行；(2)組成多樣,結構具可剪裁性、可設計性、易調變等特點,通過對其金屬單元或者配體進行改變脩飾,可以實現對MOFs結構和性能的調變；(3)MOFs中金屬-氧單元之間由有機配體隔開,相噹于分立的半導體量子點,在反應中不易髮生糰聚。併且各箇分立的金屬-氧單元之間可能存在協同效應,有利于保持催化劑的穩定性和產生高的催化活性。因此, MOFs材料是一類非常有潛力的異相催化劑。光催化是一類典型的多相催化技術,與傳統半導體光催化材料相比, MOFs由于具有可在分子水平進行靈活調控的優點,在光催化領域的應用更有優勢。此外, MOFs結構上的確定性為研究催化劑的界麵電荷遷移和光催化機理提供瞭便利條件,通過對其構-效關繫的研究和光催化反應機理的探索反過來有助于我們從微觀呎度上進一步認識光催化的本質。 MOFs材料在光催化領域已經有瞭初步的研究。越來越多的MOFs材料被成功應用于光催化降解染料、選擇性轉化有機物、光解水製氫和CO2還原等反應。典型的有MOF-5、UiO-66和MIL-125繫列等。近年來,已有少量的文獻綜述瞭MOFs這類材料在光催化領域的研究。這些文獻主要圍繞MOFs在光催化過程中所起到的作用,比如作為催化劑、助催化劑或載體來展開；或者是從MOFs的光催化應用領域,比如汙染物降解、產氫、二氧化碳還原、有機物轉化來分類展開。本文圍繞如何設計閤成高效的MOFs光催化劑,綜述瞭近年來國內外關于提高MOFs的光催化性能而開展的相關研究工作,包括理論研究MOFs的能級結構及化學性質、在MOFs配體上脩飾官能糰調變其能帶結構、染料或者金屬化閤物光敏化MOFs提高其光吸收性能、負載金屬/碳材料及半導體複閤提高光生載流子的分離效率等。最後,本文對MOFs光催化劑的未來髮展趨勢進行瞭展望,彊調開髮新型的MOFs光催化劑,併加彊對MOFs光催化機製的研究,有助于指導現有MOFs催化劑的改良和設計新型光催化劑。
배경오염화능원단결시제약당금사회발전적중대문제。광최화기술가직접이용태양능구동일계렬중요적화학반응,구유능모저、반응조건온화、무이차오염등우점,시해결저일문제적유효도경。실현저개과정적관건재우심조설계고효적광최화제。목전,광최화재료주요유무궤반도체조성,기결구적개조화수식난도흔대,난이근거실제수요래공제기대소、형상이급물이화학특성。이유궤화합물구유우량적분자전재여수식적공능,단타문각재견고성여은정성등방면구유명현적결점。인차여과능발전기구유무궤화합물적은정성우구유유궤화합물적가전재여수식성적신형광최화재료,무의장촉진광최화적발전화응용。금속-유궤골가재료(Metal-Organic Frameworks, MOFs)정시저양일류결합료무궤물적은정성화유궤물적가수식성적잡화재료。 MOFs시일류이금속양리자위절점、유궤배체위련접체적다공배위취합물적총칭。저류재료불부옹유초고적비표면적、봉부적탁복결구,이차기결구겸구가전재성、가설계성、역조변등특점,재기체흡부저존、분리、전감등영역도유엄범적응용。재최화영역MOFs야현시출거대적응용전경：(1)비표면적대,유리우대반응저물적흡부,촉진최화반응적진행；(2)조성다양,결구구가전재성、가설계성、역조변등특점,통과대기금속단원혹자배체진행개변수식,가이실현대MOFs결구화성능적조변；(3)MOFs중금속-양단원지간유유궤배체격개,상당우분립적반도체양자점,재반응중불역발생단취。병차각개분립적금속-양단원지간가능존재협동효응,유리우보지최화제적은정성화산생고적최화활성。인차, MOFs재료시일류비상유잠력적이상최화제。광최화시일류전형적다상최화기술,여전통반도체광최화재료상비, MOFs유우구유가재분자수평진행령활조공적우점,재광최화영역적응용경유우세。차외, MOFs결구상적학정성위연구최화제적계면전하천이화광최화궤리제공료편리조건,통과대기구-효관계적연구화광최화반응궤리적탐색반과래유조우아문종미관척도상진일보인식광최화적본질。 MOFs재료재광최화영역이경유료초보적연구。월래월다적MOFs재료피성공응용우광최화강해염료、선택성전화유궤물、광해수제경화CO2환원등반응。전형적유MOF-5、UiO-66화MIL-125계렬등。근년래,이유소량적문헌종술료MOFs저류재료재광최화영역적연구。저사문헌주요위요MOFs재광최화과정중소기도적작용,비여작위최화제、조최화제혹재체래전개；혹자시종MOFs적광최화응용영역,비여오염물강해、산경、이양화탄환원、유궤물전화래분류전개。본문위요여하설계합성고효적MOFs광최화제,종술료근년래국내외관우제고MOFs적광최화성능이개전적상관연구공작,포괄이론연구MOFs적능급결구급화학성질、재MOFs배체상수식관능단조변기능대결구、염료혹자금속화합물광민화MOFs제고기광흡수성능、부재금속/탄재료급반도체복합제고광생재류자적분리효솔등。최후,본문대MOFs광최화제적미래발전추세진행료전망,강조개발신형적MOFs광최화제,병가강대MOFs광최화궤제적연구,유조우지도현유MOFs최화제적개량화설계신형광최화제。
Environmental pollution and energy deficiency represent major problems for the sustainability of the modern world. Photocatalysis has recently emerged as an effective and environmentally friend‐ly technique to address some of these sustainability issues, although the key to the success of this approach is dependent on the photocatalysts themselves. Based on their attractive physic chemical properties, including their ultrahigh surface areas, homogeneous active sites and tunable function‐ality, metal‐organic frameworks (MOFs) have become interesting platforms for the development of solar energy conversion devices. Furthermore, MOFs have recently been used in a wide variety of applications, including heterogeneous photocatalysis for pollutant degradation, organic transfor‐mations, hydrogen production and CO2 reduction. In this review, we have highlighted recent pro‐gress towards the application of MOFs in all of these areas. We have collected numerous reported examples of the use of MOFs in these areas, as well as providing some analysis of the key factors influencing the efficiency of these systems. Moreover, we have provided a detailed discussion of new strategies that have been developed for enhancing the photocatalytic activity of MOFs. Finally, we have provided an outlook for this area in terms of the future challenges and potential prospects for MOFs in photocatalysis.