MOFs@柔性TiO2纳米纤维的可控制备及其CO2光催化还原研究.pdf

摘要

实现碳中和的有效方法之一是利用阳光将CO2转化为高附加值化合物。传统光催化剂

TiO2对可见光响应窄，表面光生电荷易复合，导致光催化活性较低，因而需要改性提高活

性。金属有机骨架（MOFs）具有可见光捕获、大比表面积和结构可调等特点，将MOFs与

TiO2结合可以实现协同效应。本文重点研究了3种MOFs与静电纺丝TiO2纳米纤维的原

位复合，构建了共价连接的异质结光催化剂，并系统研究了光催化CO2还原活性。

1、首先，我们通过在TiO2纳米纤维上逐层生长HKUST-1，构建一种新型的芯鞘

MOF@TiO2异质结构，为高效光激发电荷分离提供共价异质界面。基于Cu-MOF的异质

结构，实现高效光催化CO2还原，又通过引入氨基功能化，提高对CO2的亲和力，使得

CO的产率从8.76提高到43.46μmolg-1h-1，并且选择性从91.7%提高到98.3%。而引入Cu

纳米颗粒作为C-C偶联位点，可以高效产生乙醇，其选择性达到94.2%。通过原位红外分

析和DFT理论计算对CO和乙醇之间存在选择性的原因进行全面的研究。这项工作强调

具有可调光催化活性的MOFs基异质结构对实现碳中和的意义。

2、基于上述芯鞘MOF@TiO异质结构的成功制备，我们又通过对TiO表面进行-OH、

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-NH2和-COOH功能化修饰，系统研究不同功能化表面逐层生长UiO-66-NH2的形貌、光吸

收能力、光电转化效率、电荷分离能力及光催化CO还原效率。探究芯鞘UiO-66-NH@TiO

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异质结构界面电子传输效率对光催化CO2还原性能的影响。通过对比发现，羧基功能化后

制备的UiO-66-NH@TiO具有最好的光催化CO还原效率，CO产率高达95.36μmolg-1

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h-1。本研究主要探索不同功能化修饰对UiO-66-NH@TiO异质结构形成的影响，进而有

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效的提高光催化CO2还原效率。

3、为了进一步探究不同MOF@TiO2异质结构对光催化CO2还原效率的影响，我们又

采用预包埋Ni的方式对TiO2纳米纤维改性，并采用一锅水热法的方式原位生长Ni-MOF-

74，制备柳枝状Ni-MOF-74@TiO2异质结构。通过结构表征、光电性能测试以及光催化CO2

还原性能评价分析光生电子和空穴的分离与传输方式，揭示载流子在MOFs和TiO2之间

的迁移规律和作用机制。在以TEOA作为电子供体的条件下，CO的生成速率达到204.27

μmolg-1h-1，选择性高达92.9%。这项研究通过预包埋Ni为Ni-MOF-74的原位生长提供

附着位点，构建共价连接的MOF@TiO2异质界面，证实共价异质结面对提高复合材料光

催化性能的重要性。

本文系统研究在静电纺丝TiO2纳米纤维上原位生长MOFs构建多功能异质结材料的

新方法，深入研究不同MOF@TiO2异质结光催化CO2还原的基本原理和机制，以及影响

光还原效率的关键方面。本文报道的材料合成方法及调控策略为设计高效的光催化CO2还

原为可再生燃料以减少CO2的排放提供有价值的信息。

关键词：金属有机框架，静电纺丝，原位生长，光催化，CO2还原

Abstract

OneeffectivemethodforachievingcarbonneutralityistoconvertCOintohigh-