ZIF-8/g-C3N4 復(fù)合材料光催化性能研究進(jìn)展

張姝沁，彭龍新，許雪源，劉建棟，楊宇杰，張夢(mèng)，陳萍華＊

（南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌330063）

1 引言

石墨相氮化碳（g-C3N4）作為一種新型非金屬光催化劑，具有制備方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、無(wú)毒、環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，如還原CO2[1]、光催化裂解水產(chǎn)氫、光降解有機(jī)污染物[2]和光解水產(chǎn)氧[3]等，在能源和環(huán)境凈化方面具有很廣闊的研究空間。其中，由于氫能的清潔性和熱值高的特點(diǎn)，光催化水產(chǎn)氫受到了廣泛關(guān)注。

金屬-有機(jī)骨架（MOFs）是一類(lèi)新型的多孔有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料，除了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光催化劑外，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，近年來(lái)成為一種新型的光催化材料[4]。MOFs 由有機(jī)配體和金屬離子或金屬離子簇配合而成，具有比表面積大、熱穩(wěn)定性高、易回收、結(jié)構(gòu)多樣、性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[5]。且其孔徑大小、比表面積、不飽和金屬位點(diǎn)等都可以通過(guò)合理地選擇金屬離子和有機(jī)配體來(lái)調(diào)控[6]。所以，基于以上特性，MOFs 被廣泛的應(yīng)用于能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化[7，8]、催化[9，10]、吸附[11～13]、分離[14～16]、氣體儲(chǔ)存[17]、傳感[18]、醫(yī)療[19]等領(lǐng)域。沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料（ZIFs）是MOFs 材料的一種，主要利用有機(jī)咪唑酯配體與金屬離子通過(guò)配位作用自組裝形成具有超分子微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的類(lèi)沸石化合物[20]。ZIF-8 作為類(lèi)ZIFs 的典型代表，具有良好的水熱及化學(xué)穩(wěn)定性，且具有較大的比表面積。

2 ZIF-8/g-C3N4 復(fù)合材料光催化的研究意義

g-C3N4由于其種種優(yōu)點(diǎn)， 在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域得到了廣泛的研究。然而，單純的g-C3N4存在光電復(fù)合效率高、電導(dǎo)率低、相對(duì)表面積較小、可見(jiàn)光吸收率低等問(wèn)題，所以光催化性不高。我們可以通過(guò)負(fù) 載 助 催 化 劑[21～23]、引 入 多 孔 結(jié) 構(gòu)[24]、元 素 摻雜[25、26]等手段改善g-C3N4的光催化性能。

MOFs/g-C3N4復(fù)合材料具有良好的光催化性能，是基于異質(zhì)結(jié)的形成能有效促進(jìn)光誘導(dǎo)電子－空穴在反應(yīng)中的分離和轉(zhuǎn)移[27]。g-C3N4與ZIF-8 復(fù)合后，利用MOF 的優(yōu)勢(shì)將g-C3N4與ZIF-8 結(jié)合形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)， 可以增大g-C3N4的比表面積以及光學(xué)和電化學(xué)性能， 可以提高g-C3N4的光催化產(chǎn)氫性能[28]。這樣不僅可以大大降低電子空穴間的復(fù)合概率，還可以解決對(duì)太陽(yáng)能的利用效率不高、容易發(fā)生光腐蝕等問(wèn)題。

3 ZIF-8/g-C3N4 復(fù)合材料光催化研究進(jìn)展

王茀學(xué)[29]采用原位合成法，將Zn 系MOFs 材料ZIF-8 與g-C3N4進(jìn)行復(fù)合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)探究后得出ZIF-8/g-C3N4復(fù)合材料在可見(jiàn)光下具有光催化活性，且g-C3N4與ZIF-8 復(fù)合比例對(duì)產(chǎn)物光催化活性有明顯影響，當(dāng)ZIF-8∶g-C3N4=4∶1 時(shí)產(chǎn)物活性最高。Liu 等[30]通過(guò)水熱法制備了ZIF-8/g-C3N4復(fù)合材料，結(jié)果表明，當(dāng)ZIF-8 含量為3%時(shí)，ZIF-8/g-C3N4復(fù)合材料具有良好的光催化活性，在光照下60 min 內(nèi)對(duì)羅丹明B 的降解率可達(dá)99.8%左右。Yuan 等[31]采用超聲波原位法制備ZIF-8/g-C3N4光催化劑，結(jié)果表明，超聲原位方法有助于阻礙g-C3N4的聚集，ZIF-8/g-C3N4增強(qiáng)了底物吸附和電荷轉(zhuǎn)移和分離，及該復(fù)合材料是有易于光催化活性的提升的。

高聰聰[28]在g-C3N4/多酸的基礎(chǔ)上復(fù)合ZIF-8，形成g-C3N4/多酸/ZIF-8 光催化劑，有效提高了g-C3N4空穴和載流子的分離效率， 提高g-C3N4的光學(xué)和電化學(xué)性能， 進(jìn)一步提高了光催化產(chǎn)氫的速率。實(shí)驗(yàn)采用原位沉淀法制備了g-C3N4/MOF 復(fù)合催化劑，證明了雙金屬M(fèi)OF 有產(chǎn)氫性能。同時(shí)，構(gòu) 筑 了g-C3N4/ZnCo-ZIF、g-C3N4/ZnCu-ZIF、g-C3N4/ZnNi-ZIF 復(fù)合雙金屬M(fèi)OF 光催化劑， 其中g(shù)-C3N4/ZnNi-ZIF 光催化劑的產(chǎn)氫性能最優(yōu)。并且，如果在g-C3N4/MOF 復(fù)合催化劑的基礎(chǔ)上負(fù)載貴金屬Pt，還可以進(jìn)一步提高產(chǎn)氫效率。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)以g-C3N4/ZIF-8 為前驅(qū)物采用水熱法一步合成了g-C3N4/ZnCdS 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，g-C3N4/ZnCdS 采用水熱法再摻雜P，形成P 摻雜的g-C3N4/ZnCdS 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)形成異質(zhì)結(jié)，提高了g-C3N4載流子的傳輸效率，并提高了g-C3N4的光催化性能，復(fù)合材料的產(chǎn)氫效率進(jìn)一步提高。

Tian 等[32]報(bào)告了一種具有可控形態(tài)和界面的ZIF-8/g-C3N4復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)ZIF-8 納米顆粒均勻錨定在改性棒狀材料上。在發(fā)光二極管照明下，與塊狀ZIF-8 材料相比ZIF-8/g-C3N4復(fù)合光催化劑表現(xiàn)出顯著的析氫性能。產(chǎn)氫效率的提高可歸因于電子－空穴分離，電荷傳輸和氧化還原能力的協(xié)同改進(jìn)。

4 展望

g-C3N4/ZIF-8 復(fù)合材料的合成途徑多樣，可用于能源和環(huán)境凈化，可用于其他污染物的降解、水污染的治理，還可以用于光催化產(chǎn)氫。未來(lái)g-C3N4/ZIF-8 復(fù)合材料的光催化活性必將會(huì)進(jìn)一步提高。