金盛烨、孙承林揭示二维金属有机框架中长寿命电荷分离态对提升光催化性能

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近日，我所超快时间分辨光谱与动力学研究组（1110组）金盛烨研究员团队与孙承林研究员团队合作，在二维（2D）金属有机框架（MOFs）载流子动力学研究方面取得新进展，提出并论证了长寿命内部电荷分离态（ICS）对2D MOFs光催化性能的提升具有关键作用。
　　金属有机框架（MOFs）作为一种有机-无机杂化类材料，具有种类多样、结晶性高、比表面积大、结构和功能易调节等特点，是太阳能转化与利用领域中的热点材料。近年来，人们发现制备二维（2D）MOFs纳米片能够大幅提升MOFs材料的光催化反应性能。此前，传统观点认为纳米片结构能够直接缩短载流子的扩散距离，同时更有利于表面活性位点的暴露，是导致其光催化性能提升的关键因素。然而，由于缺乏对光生载流子分离及提取动力学的研究，该过程对2D MOFs光催化性能的贡献并不明确，确切的光催化反应机理也尚不清晰。

　　本工作中，该团队利用瞬态吸收光谱技术，对块体MOFs材料（Mn-TBAPy-BK）及其超声剥离的MOF纳米片（Mn-TBAPy-NS）中的光诱导载流子动力学过程进行了系统研究。研究发现，2D MOF纳米片中形成了一个长寿命（可达2μs）、高布居的内部电荷分离态（ICS），该电荷分离态能够有效促进光生电子由MOF向助催化剂的转移，并使其电荷提取效率相比于块体MOFs提升了7.9倍。该结果与2D MOFs纳米片光催化水分解制氢反应性能的提升（7.3倍）相符，表明了长寿命电荷分离态的形成是导致光催化性能提升的关键因素。此外，团队结合X射线光电子能谱、拉曼光谱等表征技术，发现了ICS态的形成与锰离子配位环境的变化有关。本工作揭示了内部电荷分离态对2D MOFs纳米片光催化性能的提升具有关键作用，为高效MOFs光催化的设计和应用提供了理论指导。
　　相关研究成果以“Long-Lived Internal Charge-Separated State in Two-Dimensional Metal-Organic Frameworks Improving Photocatalytic Performance”为题，于近日发表在《美国化学会能源快报》（ACS Energy Letters）上。上述工作得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学基金、中科院基础研究领域优秀青年团队等项目的支持。（文/图 肖晔珺）
　　文章链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00970


      


      文章来源：大连化物所
       金盛烨， 1978年生，博士，中科院大连化学物理研究所研究员。2001年于大连理工大学获得学士学位，2010年于美国EMORY大学 获得博士学位，2010?2013年在美国阿贡国家实验室和美国西北大学从事博士后研究 。2013年12月加入中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室，任超快时间分辨光谱和动力学研究组组长。研究工作是致力于利用超快(飞秒10-15秒) 时间分辨光谱技术（荧光光谱和pump-probe瞬态吸收光谱） 和单分子成像法研究分子, 半导体材料和复合材料中光诱导界面电荷分离、能量转移和光催化反应动力学过程。
        孙承林研究员长期从事工业催化和废水治理技术的开发和研究工作。先后承担了"八五"、"九五"、"十五"国家攻关项目，是"合成气经由二甲醚制取乙烯、丙烯等低碳烯烃"项目的负责人之一；2000-2001年主持完成了研制车载型湿式催化氧化处理废水装置(0.5吨/天)的项目,获得了2002年度国家机械工业科技进步二等奖。现承担国家973项目、中石油抚顺石化分公司等企业委托开发项目。共申请专利62项，授权专利42项，鉴定成果9项，发表论文近百篇，已成功完成近20项废水处理工程。