摘要
化石燃料的大量消耗释放出过量的二氧化碳（CO2）等温室气体，带来了严重的能源和环境问题，例如温室效应、海平面上升等。因此，将大气中的CO2转化为能源化学品，一氧化碳（CO）、甲醇（CH3OH）、甲烷（CH4）和甲酸（HCOOH）等被认为是缓解能源危机和解决温室效应最直接和最有效的途径之一。光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术，采用光化学转化温室气体具有较大的优势。太阳能作为取之不尽，用之不竭的能源驱动力，在合适的光催化剂存在下，以及相对温和可控的催化条件下，可以将 CO2催化转化，实现 CO2的循环使用。本文采用不同的合成方法，制备了一系列光催化活性优异的 COF/MOF 复合光催化材料，并且对复合材料进行了粉末 X-射线衍射测试、傅里叶变换红外光谱和扫描电镜等表征分析，同时在不同浓度的CO2环境中模拟人工光合作用测试了材料的光催化性能，并探讨和分析了可能的电子传输机理，主要开展的工作如下： 一、选择光捕获能力较好的 2D-COF TpPa-1 材料作为载体，然后将 MOF 材料ZIF-8 引入到体系中，基于此在物理研磨法的帮助下构建了一系列复合光催化材料TpPa/ZIF-8，并通过测试对材料的结构形貌等进行表征。人工光合作用结果表明复合材料的光催化产物均展现出高的CO选择性（＞90%），TpPa/ZIF-8-6G在纯CO2环境中表现出最好的光催化CO2还原性能，CO产率达到了43.94 μmol?g-1?h-1。值得注意的是，TpPa/ZIF-8-3G在低浓度的CO2（10% CO2+90% N2，下同）环境中表现出更优异的催化活性，CO产率高达84.87 μmol?g-1?h-1。因此，提出并验证了含有-OH的材料在低浓度CO2环境中能够富集CO2这一猜想。 二、使用活性位点更加丰富、粒径更小的Ti基MOF IEF-11和TpPa-1采用溶剂热法合成了一系列核-壳结构复合光催化剂TpPa@IEF。复合材料是以TpPa-1为核、IEF-11为壳的核-壳结构，并且表现出极大的化学稳定性。在纯CO2和低浓度CO2的环境中，通过可见光驱动评估了这些复合光催化剂 TpPa@IEF 的 CO2光催化还原性能，CO产率分别能够达到78.87 μmol·g-1·h-1和116.47 μmol·g-1·h-1。表征测试结果证明，性能优异的光催化结果源于核-壳结构中高电荷传输分离效率和CO2捕获能力，以及丰富的催化活性位点和强的可见光捕获能力。 三、设计合成了一种通过共价桥连的复合材料MOP-NH2@TpPa-CH3。该复合材料以含有连接基团的 MOP-NH2和光捕获能力更强的 TpPa-CH3为原料通过简便的室温蒸发法合成。随后对所合成的材料进行表征分析，证明了两者是通过共价键连接的。同时在可见光驱动下，进行了光催化还原CO2性能的测试，这些异质结构的光催化剂MOP-NH2@TpPa-CH3在纯 CO2环境中，CO 的产率为 54.74 μmol·g-1·h-1，在低浓度CO2环境中CO产率能够达到119.25 μmol·g-1·h-1。室温下合成的共价桥连的复合材料促进了光生电子的高效传输，实现了优异的光催化性能。本工作为室温合成人工光催化剂提供了新的策略。
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