近日，我所超快时间分辨光谱与动力学研究组（1110组）金盛烨研究员团队与孙承林研究员团队合作，在二维（2D）金属有机框架（MOFs）载流子动力学研究方面取得新进展，提出并论证了长寿命内部电荷分离态（ICS）对2D MOFs光催化性能的提升具有关键作用。
金属有机框架（MOFs）作为一种有机-无机杂化类材料，具有种类多样、结晶性高、比表面积大、结构和功能易调节等特点，是太阳能转化与利用领域中的热点材料。近年来，人们发现制备二维（2D）MOFs纳米片能够大幅提升MOFs材料的光催化反应性能。此前，传统观点认为纳米片结构能够直接缩短载流子的扩散距离，同时更有利于表面活性位点的暴露，是导致其光催化性能提升的关键因素。然而，由于缺乏对光生载流子分离及提取动力学的研究，该过程对2D MOFs光催化性能的贡献并不明确，确切的光催化反应机理也尚不清晰。
本工作中，该团队利用瞬态吸收光谱技术，对块体MOFs材料（Mn-TBAPy-BK）及其超声剥离的MOF纳米片（Mn-TBAPy-NS）中的光诱导载流子动力学过程进行了系统研究。研究发现，2D MOF纳米片中形成了一个长寿命（可达2μs）、高布居的内部电荷分离态（ICS），该电荷分离态能够有效促进光生电子由MOF向助催化剂的转移，并使其电荷提取效率相比于块体MOFs提升了7.9倍。该结果与2D MOFs纳米片光催化水分解制氢反应性能的提升（7.3倍）相符，表明了长寿命电荷分离态的形成是导致光催化性能提升的关键因素。此外，团队结合X射线光电子能谱、拉曼光谱等表征技术，发现了ICS态的形成与锰离子配位环境的变化有关。本工作揭示了内部电荷分离态对2D MOFs纳米片光催化性能的提升具有关键作用，为高效MOFs光催化的设计和应用提供了理论指导。
相关研究成果以“Long-Lived Internal Charge-Separated State in Two-Dimensional Metal-Organic Frameworks Improving Photocatalytic Performance”为题，于近日发表在《美国化学会能源快报》（ACS Energy Letters）上。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。（文/图 肖晔珺）
