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第一作者：袁闊

通訊作者：袁闊, 鐘地長, 魯統部, 胡文平

通訊單位：天津理工大學，天津大學等

成果速覽：

本研究通過晶體相工程，特別是異相結構的構建，有效地調節了材料的物理化學性質，對于開發高性能光催化劑具有重要意義。

研究中開發了一種基于金屬-有機框架（MOFs）的異相納米結構，通過調節二級構建單元（SBU）的策略，成功制備了由鈦和1,4-苯二甲酸構建的兩種晶體相Ti-MOFs，即COK和MIL-125，并進一步構建了COK/MIL-125異相結構。

在光催化氫氣演化反應中，COK/MIL-125表現出最高的氫氣產量，歸因于異相界面上的Z型同質結。此外，通過在BDC配體上修飾氨基（即NH2-COK/NH2-MIL-125），光吸收能力被擴展到可見光區域，顯著提高了可見光驅動的氫氣產量。

MOF基異相結構具有周期性通道結構和分子級可調節的能帶結構，這在傳統有機或無機材料中是罕見的。該工作不僅突出了MOF基異相納米結構的發展，而且為設計高性能光催化劑鋪平了新的道路。

圖文導讀：

圖1：材料科學中晶體相工程的概念及異相復合材料的構建目標，重點介紹了基于MOF的異相結構的構建。

圖2：通過酸調節合成COK和MIL-125的過程，以及COK和MIL-125的能量級、電子能帶結構和軌道投影密度態，揭示了COK在實空間中的價帶最大和導帶最小。

圖3：COK/MIL-125異相結構的制備過程，并通過TEM和XRD分析確認其結構特征，從不同角度觀察COK/MIL-125的結構。

圖4：MIL-125、COK和COK/MIL-125的紫外-可見光譜，以及它們在光催化氫氣演化反應中的性能比較，EPR測量結果揭示了各樣品在光催化過程中的活性氧物種捕獲情況。

圖5：NH2-COK和NH2-MIL-125的能帶結構，NH2-COK/NH2-MIL-125異相納米結構的TEM圖像和EDS元素分布圖，以及通過XRD分析確認的結構特征，紫外-可見光譜揭示了NH2修飾后的光吸收特性。

圖6：NH2-MIL-125、NH2-COK和NH2-COK/NH2-MIL-125的光致發光光譜、光電流響應和電化學阻抗譜分析結果，以及通過Kelvin探針力顯微鏡測量的表面光電壓差，反映了各樣品的光生載流子分離效率。

亮點介紹：

1. 通過SBU調控策略成功構建了具有不同物理化學性質的COK/MIL-125異相納米結構。

2. COK/MIL-125異相結構在全光譜輻射下的光催化氫氣演化反應中表現出最高的氫氣產量。

3. 氨基修飾的NH2-COK/NH2-MIL-125在可見光區域具有優異的光吸收能力，并實現了高可見光驅動氫氣產量。

4. 研究表明，異相結構有助于提高光生載流子的分離效率，從而實現更高效的光催化性能。

計算模擬：

在論文中，作者運用了密度泛函理論（DFT）計算來深入探究COK和MIL-125的電子結構和能帶結構。使用VASP軟件通過PBEsol密度泛函，研究者們計算了COK和MIL-125的電子能帶結構和投影密度態（PDOS），從而揭示了這兩種材料的費米能級位置以及p型半導體行為。計算得到的能帶間隙（Eg）分別為COK的2.59 eV和MIL-125的3.02 eV，這些結果略低于實驗值，這可能是由于DFT計算固有的低估能帶間隙的傾向。

此外，PDOS分析詳細說明了COK和MIL-125的價帶和導帶的組成，其中有機配體（即BDC）的C和O的p軌道對價帶的貢獻，以及Ti的d軌道在導帶中的作用。通過可視化COK的價帶最大（VBM）和導帶最小（CBM）的波函數，進一步展示了在實空間中的分布情況。

這些計算模擬的結果不僅為理解COK和MIL-125的電子性質提供了理論基礎，而且對于設計和優化高性能光催化劑具有重要的指導意義。

文獻信息：

標題：Metal-Organic Framework-Based Hetero-phase Nanostructure via a Secondary Building Unit (SBU) Regulating Strategy for Efficient Photocatalysis

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202402693

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