Cr(VI)離子是一類高毒性離子,可以在很低的劑量下對生物組織造成破壞。利用可見光將高毒的Cr(VI)還原為無毒的Cr(III)是一種有前景的方法,而金屬有機(jī)骨架(MOF)作為一類優(yōu)秀的多孔材料已在光還原Cr(VI)中得到應(yīng)用。目前研究人員主要是在單組分MOFs中調(diào)控金屬離子或有機(jī)配體的種類來增強(qiáng)其光催化還原Cr(VI)能力。然而,由于單組分MOFs對Cr(VI)吸附速率/容量低、吸光范圍窄以及光生載流子分離效率差等原因,使得其光還原性能仍然很有限。而多元金屬有機(jī)骨架材料因多組分間的協(xié)同作用可能是一種提高Cr(VI)光還原能力的有效策略。
近日,中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹榮和黃遠(yuǎn)標(biāo)團(tuán)隊在科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目及中科院青促會優(yōu)秀會員項目、國家留學(xué)基金委資助下,與日本國立材料研究所教授葉金花合作,將卟啉單元插入到穩(wěn)定的陽離子型多元MOF材料H2TCPP(I-)Meim-UiO-66中,由于該材料集寬可見光吸收能力的卟啉單元和強(qiáng)Cr2O72-吸附能力的陽離子結(jié)構(gòu)于一體,有效地提高了Cr2O72-的光還原能力,并達(dá)到了MOF基材料可見光還原Cr2O72-的最高速率(13.3mgCr(VI)/gcatalyst/min),遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MOF光催化劑,包括NH2-UiO-66(0.2mgCr(VI)/gcatalyst/min)和NH2-MIL-125(1.6 mgCr(VI)/gcatalyst/min)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征和理論計算,作者提出了多元H2TCPP(I-)Meim-UiO-66對Cr2O72-的光還原機(jī)理。此工作表明,充分利用多元MOF中吸附和光敏性間的協(xié)同作用,可以有效提高光催化性能,并為設(shè)計更加高效的光催化材料鋪平了道路。上述結(jié)果發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental上(2019, 253, 323-330),文章第一作者是在讀博士研究生王旭生。
此前,曹榮課題組在系列咪唑嗡鹽功能化陽離子MOF材料中實(shí)現(xiàn)了:無需添加任何助催化劑,常壓條件下高效催化CO2與環(huán)氧化物反應(yīng)生成環(huán)碳酸酯(Chem. Sci. 2017, 8, 1570; Chem. Commun., 2018, 54, 342; Chem. Commun., 2019, 55, 4063; Inorg. Chem., 2018, 57, 2584; ChemCatChem, 2018, 10, 2036); 衍生N/鹵素雙摻雜碳材料高效催化氧還原(Sci. China. Mater. 2019, 62, 671)。
福建物構(gòu)所等陽離子型多元MOF光催化研究取得進(jìn)展
