基于分子桥接结构的Zn-TCPP(Co)/Ti3C2异质结用于高效光催化产氢

摘要

将金属有机框架（MOFs）与MXenes战略性地结合，为克服光催化中的电荷分离瓶颈提供了一条有前景的途径。本研究通过在二维功能化的MXene纳米片上原位生长超细的锌-四（4-羧基苯基）卟啉（掺钴）Zn-TCPP(Co) MOF纳米颗粒（15纳米），构建了一种分层的S型异质结构。这种独特的“颗粒在层状结构上”的架构通过分子桥连接，通过C–Ti–O和N–Ti键建立了化学键合的界面，从而促进了快速的电荷转移。优化的异质结构表现出1.95电子伏的窄带隙、显著延长的载流子寿命（35.5纳秒）以及1.7微安/平方厘米的高光电流密度。通过利用S型结构的电荷分离机制、MXenes的金属导电性以及分子中的单原子钴位点，该复合材料在420纳米波长下实现了24.3毫摩尔/克·小时的卓越氢气生成速率，表观量子效率达到10.2%——比原始的Zn-TCPP(Co)提高了六倍。这一性能超越了许多最近报道的基于MOFs和MXenes的光催化剂。结合密度泛函理论计算和实验分析，证实了内部电场在驱动S型机制中的关键作用，该机制有效保持了强烈的氧化还原电位。这项工作为通过分子层面的界面工程实现高性能光催化系统提供了明确的蓝图。