清华朱永法教授团队 Angew：内嵌C60增强锆基金属有机骨架材料内建电场实现高效光催化产氢

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光催化技术可以将太阳能直接转化为可再生的化学燃料，是同时解决全球能源危机和环境问题的有效途径之一。金属有机框架(MOFs) 因多样的拓扑结构、高度有序可调的孔道结构，高比表面积、广泛分布的活性位点、较短的光生载流子扩散距离、以及良好的光热稳定性，使其在光催化领域得到了更多的关注和研究。然而，MOFs光催化材料都有着较宽的带隙结构和较高的电荷传输阻力，在光催化领域的应用仍然面临着光生电荷分离困难和量子效率低等问题。

近期，清华大学朱永法教授、太原理工蒙海兵副教授等在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上发表了题为“Enhancing Built-in Electric Fields for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution by Encapsulating C₆₀ Fullerene into Zirconium-Based Metal-Organic Frameworks”的文章（DOI: 10.1002/anie.202217897）。论文第一作者为清华大学博士后刘丽萍。

在该工作中，作者通过将 C₆₀嵌入孔道尺寸匹配的锆基MOFs材料中，构建了一种新颖的主客体MOFs光催化剂。该材料具有强内建电场和高度有序的晶体结构，促进了光生电荷的分离和迁移，实现了高效的光催化产氢，该工作为高性能MOFs光催化剂的设计提供了新的思路。

本文要点：

要点一：内嵌C₆₀分子的给受体MOFs光催化剂的构筑

图1 C₆₀@NU-901结构的制备与表征

通过简单的吸附方式将C₆₀内嵌到了NU-901的孔内，得到了具有高结晶性的C₆₀@NU-901纳米材料，同时一定程度的内嵌C₆₀，诱导了MOF孔结构的收缩。

图2 C₆₀@NU-901中给受体相互作用

C₆₀以单个分子的状态内嵌在NU-901的孔道中，随着C₆₀的嵌入，NU-901的孔体积与比表面积减小，同时，观察到C60与NU-901之间形成显著的主客体相互作用。

要点二：给受体相互作用诱导形成增强的内建电场，从而实现高效的电荷分离

图3 C₆₀@NU-901中强内建电场

在NU-901中，电子通常是离域的分布在配体上，而锆节点上的电子则聚集和定域，使得配体与节点之间形成静电势差，随着C₆₀的嵌入，电子从配体转移到C₆₀上，促进了电子的不均匀分布，从而加剧了配体与节点间的静电势差，显著提高了催化剂的内建电场。

图4 C₆₀@NU-901中快速的电荷分离和迁移

在强内建电场驱动下，C₆₀@NU-901中实现了快速的光生电荷分离和迁移，并得到了长寿命的电荷分离态（~112 ns）。同时，C₆₀@NU-901中激基复合物的形成受到明显的抑制，有利于光催化反应的进行。

要点三：C₆₀@NU-901中增强的光催化产氢性能

图5 C₆₀@NU-901具有高效的光催化产氢性能

全光谱下C₆₀@NU-901的光催化产氢速率为22.3 mmol g^-1 h^-1，分别是C₃N₄和NU-901的19倍和10.6倍，其性能超过了绝大多数已报道的MOFs光催化剂。同时，该材料的光谱响应范围宽，有利于太阳能到化学能的转化，并且，该材料展现出良好的光化学稳定性，循环16 h性能没有明显的降低。

作者简介

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朱永法教授：清华大学化学系教授，获得教育部跨世纪优秀人才及国家自然科学基金委杰青年基金的资助。获得国家自然科学奖二等奖1项, 教育部自然科学奖一等奖2项、二等奖1项，教育部科技进步奖二等奖和三等奖各1次。长期从事薄膜材料、纳米材料、环境催化以及能源光催化的研究。已在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Energy, Appl. Catal. B-Environ.等国内外学术刊物上发表论文400余篇，所发论文被引用超过27000次，H因子为116。2014-2022选Elsevier高被引学者（化学），2016年入选Elsevier发布的“全球材料科学与工程学被引学者”，2018-2022选科睿唯安“高被引科学家”名单（化学）

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202217897

中国石油大学（北京）王雅君、清华大学朱永法《Chem. Eng. J.》: 通过调节Pt的化学状态促进光催化分解水产氢

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