化學與材料科學 - 鹽城工學院董鵬玉/奚新國、華東理工張金龍 CEJ: 納米糰簇（MS-c）嵌入TpPa-1-COF微孔增強光解水制氫性能及穩定性－鑽石舞台

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近日，鹽城工學院董鵬玉、奚新國與華東理工大學張金龍在《Chemical Engineering Journal》期刊上發表了題為「Embedding [Mo3S13]2−Clusters into the Micropores of a Covalent Organic Framework for Enhanced Stability and Photocatalytic Hydrogen Evolution」的論文。論文第一作者為鹽城工學院碩士研究生王艷。

[Mo3S13]2−納米糰簇（MS-c）具有元素儲量豐富、成本低、均相催化活性高等優點，被認為是一種非常有吸引力的非貴金屬助催化劑可用於分解水制氫反應。但有研究表明，MS-c在純水、大多數有機溶劑和鹼性溶液中均可溶解，因此MS-c一直被認為是一種均相析氫光催化劑。然而，均相光催化劑不易於分離回收及循環利用，嚴重阻礙了其實際應用。另一個關鍵問題是納米糰簇由於高的表面自由能導致納米糰簇處於「沸騰狀態」易傾向於聚集，因此，MS-c可能還面臨着易聚集的問題。

該研究工作基於TpPa-1-COF周期性的骨架、有序的孔結構以及豐富的潛在配位位點，利用具有獨特結構優勢的2D β-酮烯胺偶聯的TpPa-1-COF作為載體嵌入MS-c。研究了TpPa-1-COF微孔在錨定MS-c過程中所起的作用，並對MS-c@TpPa-1光催化劑的光催化析氫活性和穩定性進行了評價。此外，利用密度泛函理論（DFT）計算研究了MS-c@TpPa-1光催化析氫性能改善的原因，並提出了MS-c@TpPa-1光催化析氫的可能反應機理。

本文要點：

1）通過球差矯正高角環形暗場STEM清晰地直接觀察到MS-c的存在，並利用TEM圖像和AC HAADF-STEM圖像得到MS-c在MS-c@TpPa-1中的尺寸分布圖，確認MS-c的平均尺寸約為0.98 nm。

2）研究表明MS-c中的Mo原子與TpPa-1-COF中的不飽和配位N原子之間形成了Mo−N的配位鍵，在原子層面上明確了TpPa-1-COF與MS-c的之間的相互作用，提出了MS-c@TpPa-1可能的配位結構示意圖。

3）DFT探究表面催化反應，構建了MS-c嵌入TpPa-1-COF微孔的模型，並基於DFT理論計算，發現相較於N位點，MS-c@TpPa-1的S位點更加有利於電子-質子轉移形成H*以及後續有效的H2解吸。

本研究提供了一種將納米糰簇嵌入COF載體微孔以提高其光催化性能和穩定性的新策略，這對設計具有高穩定性的新型光催化劑具有啟發意義。

論文信息

(1)Pengyu Dong,ǁYan Wang,ǁAicaijun Zhang, Ting Cheng, Xinguo Xi,* and Jinlong Zhang,*Platinum Single Atoms Anchored on a Covalent Organic Framework: Boosting Active Sites for Photocatalytic Hydrogen Evolution,ACS Catalysis, 11 (2021) 13266-13279.

(2)Pengyu Dong, Aicaijun Zhang, Ting Cheng, Jinkang Pan, Jun Song, Lei Zhang, Rongfeng Guan, Xinguo Xi,* and Jinlong Zhang,*2D/2D S-scheme Heterojunction with a Covalent Organic Framework and g-C3N4nanosheets for Highly Efficient Photocatalytic H2Evolution,Chinese Journal of Catalysis.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64094-4(Accepted)

原文鏈接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722023786

作者簡介

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董鵬玉博士/副教授簡介

董鵬玉，男，本碩博畢業於蘭州大學，南京大學博士後，美國加州大學河濱分校訪問學者。江蘇省「青藍工程」優秀青年骨幹教師。主要從事光催化材料的設計、可控制備及其降解環境污染物方面的相關研究，為中國感光學會光催化專業委員會會員。主持國家自然科學基金、中國博士後科學基金、江蘇省科技廳產學研項目、江蘇省高校優秀中青年教師境外研修計劃項目等縱橫向項目共7項。目前，已在ACS Catal.；Appl. Catal. B；J. Mater. Chem. A；Chem.Eng.J.；Chin. J. Catal.；Environ. Sci.: Nano；Nanoscale；J. Am. Ceram. Soc.等國際SCI期刊發表論文40餘篇（其中2篇論文入選ESI「高被引論文」）；論文累計被引1355次；h指數（h-index）為19。曾擔任Front. Chem.（IF=5.212）客座編輯（2021年）。獲得國家授權發明專利9件；在國家權威出版社《科學出版社》出版學術專著1部，並參與編寫英文學術專著1部。獲得江蘇省科學技術獎三等獎1次，獲得鹽城市自然科學優秀學術成果獎二等獎3次。

奚新國教授簡介

奚新國，男，江蘇大豐人，工學博士，教授，碩士研究生指導教師，現任材料科學與工程學院院長。入選江蘇省六大人才高峰培養人選、江蘇省「青藍工程」優秀青年骨幹教師，獲得江蘇省優秀科技工作者稱號。擔任江蘇省建材行業協會水泥分會副會長、江蘇省新材料產業協會常務理事。長期從事無機非金屬材料及新材料的研究開發，開展生態混凝土、廢棄物製備牆體材料等領域的研究，開發新型光催化材料用於環境治理。目前，以第一作者（或通訊作者）在Applied Catalysis B: Environmental、ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES、ACS CATALYSIS、APPLIED SURFACE SCIENCE、CERAMICS INTERNATIONAL、Chinese Journal of Catalysis、Solar RRL、Journal of Colloidand Interface Science等期刊發表SCI論文50多篇，h-index 16，獲授權專利10餘項，其中國際專利1項。作為項目負責人主持國家重點研發項目、國家自然科學面上基金、江蘇省研究生培養創新工程研究生教育教學改革立項重點課題、產學研合作項目、橫向等項目。

張金龍教授簡介

張金龍，華東理工大學化學與分子工程學院教授、博士生導師，歐洲科學院院士（外籍），教育部新世紀優秀人才支持計劃、上海市領軍人才、江蘇省「雙創人才」、蘇州「姑蘇人才」入選者。長期從事高效光催化材料的設計和製備及在環境和能源領域中的應用研究。「Res. Chem. Intermed.」副主編，「Applied Catalysis B: Enviromental」;「Scientific Reports」; 「J. Photocatalysis」國際編委；「Inter. J. Photoenergy」客座主編；「J. Nanotechnology」客座編輯；「影像科學與光化學」編委。已在Nat. Comm., Chem.; Chem. Soc. Rev.; Chem. Rev.; J. Am. Chem. Soc.; Angew Chem Int Ed;Energy & Environmental Science等國際一流雜誌上發表論文400餘篇，被引用21000餘次，H因子為74。

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