【COF复合材料光催化】：利用MoS2@TPPy-COF异质结构光催化剂实现高效光催化水分解制氢和二氧化碳还原

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摘要：
University of Kalyani 的Sk. Manirul Islam等人报道的本篇文章（ACS Appl. Energy Mater. 2024）中通过简单的水热法合成了一种新型的3D-2D异质结构光催化剂MoS2@TPPy-COF，该催化剂在无需贵金属助催化剂的情况下，展现出优异的光催化水分解制氢和二氧化碳还原性能。

研究背景：
1. 化石燃料的过度使用导致环境问题和资源枯竭。
2. 研究者们探索了太阳能光催化水分解和CO2捕获与转化技术。
3. 本文开发了一种新型的MoS2@TPPy-COF光催化剂，通过3D-2D异质结构设计，提高了光吸收效率和光生电荷分离效率。

实验部分：
1. 合成MoS2@TPPy-COF：通过水热法在TPPy-COF表面生长MoS2纳米花，使用去离子水分散TPPy-COF，加入钠钼酸二水合物和硫脲，180°C反应20小时，得到暗灰色产物。
2. 光催化活性测试：评估合成光催化剂的水分解和CO2还原活性。使用含三乙醇胺(TEOA)的水溶液或Na2S/Na2SO3溶液的石英光反应器进行H2评估实验，使用400W中压汞灯照射，通过气相色谱分析产生的气体混合物。
3. 形态学分析：通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察MoS2、TPPy-COF和MoS2@TPPy-COF的形态，确认MoS2纳米花在TPPy-COF表面的均匀分布。
4. X射线光电子能谱(XPS)分析：分析MoS2@TPPy-COF的化学连接性和相态条件，确认了所有组成元素(C, N, O, Mo, S)的存在。
5. 比表面积和孔隙性分析：通过77K下的N2吸附-脱附实验测量TPPy-COF和MoS2@TPPy-COF的比表面积和孔隙结构，结果显示两者具有极高的孔隙结构。
6. 光物理性质表征：使用紫外-可见漫反射光谱(DRS)研究MoS2@TPPy-COF的光吸收性能，通过光致发光(PL)光谱和循环伏安法(CV)评估其光电化学性质。
7. 该复合催化剂在可见光照射下显示出优异的光催化析氢性能,在Na2S/Na2SO3作为牺牲剂的条件下,在10小时内达到12874μmol/g的氢产率,远超单独的TPPy-COF和MoS2。作者认为这归因于MoS2与TPPy-COF的异质结构有效分离了光生电子空穴对,抑制了复合。
8. 光化学CO2还原：在大气压力下，使用MoS2@TPPy-COF作为异质催化剂，TEOA作为牺牲电子供体，进行CO2光化学还原生成甲酸的实验。MoS2@TPPy-COF在445nm 白光LED照射下也表现出很好的催化性能,3小时内甲酸产率可达966μmol/g。这主要得益于其窄带隙(1.98eV)和三维多孔结构,增强了光吸收和活性位点。

分析测试：
1. PXRD分析：MoS2@TPPy-COF的PXRD图谱显示了其结构和晶体性，与MoS2 NFs相比，MoS2@TPPy-COF显示出类似的衍射模式，确认了MoS2在层状结构中的六角形棱柱构型。
2. FTIR分析：FTIR光谱分析显示了MoS2、TPPy-COF和MoS2@TPPy-COF的化学结构，确认了TPPy-COF的成功合成和在水热条件下的稳定性。
3. 微观分析：FE-SEM和TEM图像揭示了MoS2纳米花在TPPy-COF表面的均匀分布，HRTEM图像显示了MoS2纳米花和TPPy-COF纳米棒的层状结构。
4. XPS分析：XPS分析确认了MoS2@TPPy-COF中所有组成元素的存在，并揭示了MoS2和TPPy-COF之间的相互作用。
5. BET比表面积分析：MoS2@TPPy-COF和TPPy-COF的N2吸附-脱附等温线显示了两者的孔隙结构，通过NLDFT确定了孔径分布。
6. 光物理性质表征：DRS用于研究MoS2@TPPy-COF的光吸收性能，PL光谱显示了MoS2@TPPy-COF的光生电子-空穴对分离效率，CV曲线展示了MoS2@TPPy-COF的电化学性质。
7. 光化学CO2还原产物分析：使用UV-可见光谱光度计和1H NMR分析确认了CO2光化学还原生成甲酸的产物。

总结：
本文研究的MoS2@TPPy-COF光催化剂在光催化水分解制氢和CO2还原方面展现出优异的性能，这主要归功于其独特的3D-2D异质结构设计，该结构有效促进了光生电荷的分离和迁移。

展望：
未来的研究可以进一步探索和优化MoS2@TPPy-COF的合成方法，提高其光催化活性和稳定性。同时，可以研究该催化剂在其他光催化反应中的应用，以及探索其在实际工业生产中的可行性。

Pyrene-Based 2D Covalent Organic Framework Engineered with 3D-MoS2-Nanoflowers Tuned with High Surface Area Assisted in Visible-Light-Driven Photocatalytic H2 Evolution and CO2 Reduction
文章作者：Susmitha Kumar, Pekham Chakrabortty, Rajendra V. Singh, Mrinal R. Pai, Aslam Khan, Nasir A. Siddiqui, and Sk. Manirul Islam*
DOI：10.1021/acsaem.4c00360
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.4c00360

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