Angew. Chem.：高Pt单原子负载量的超薄MOF纳米片光催化剂

单原子催化剂能够实现金属原子利用率的最大化，在众多催化反应中表现出了优异的催化性能，近年来已成为催化领域的研究前沿与热点。在制备单原子催化剂的过程中，人们大都选择在已制备好的载体上通过后修饰的方式实现单原子的负载。为了避免单原子的聚集，利用该方式制备的单原子催化剂往往会限制单原子金属的负载量处在很低的水平（一般为2 wt%以下）。较低的金属负载量往往会导致催化剂的整体催化活性不高，从而限制单原子催化剂的总体性能和应用。因此，如何制备高金属负载量的单原子催化剂是目前单原子催化研究领域亟待解决且富有挑战性的问题。

另外，单原子载体的选择也是提高催化性能的核心。一般高比表面积的多孔载体有利于对底物的吸附，而薄层材料有利于底物和产物的扩散动力学。金属有机框架（MOFs）材料作为一类多孔的有机无机杂化晶体，具有高比表面积和良好的结构可调性。但已报道的单原子负载MOF材料仅局限于块状MOF，块状MOF材料的传质效果相对较差，活性位点利用率低，极大限制了其催化性能的提高。

针对上述问题，上海交通大学化学化工学院周永丰教授（点击查看介绍）团队凭借其在超分子自组装研究方面的积累，结合麦亦勇教授（点击查看介绍）课题组在两维高分子光电功能材料方面的制备技术，合作开发了具有超高Pt单原子负载量的超薄卟啉基MOF纳米片光催化材料。他们建立表面活性剂辅助自组装新方法，选择含Pt卟啉有机配体和铜离子作为MOF的构筑单元，在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）表面活性剂的辅助作用下，通过羧基与铜离子的配位自下而上地制备了具有超高Pt单原子负载量的超薄卟啉基MOF纳米片（命名为PtSA-MNS，图1）。不同于以往通过后修饰实现单原子负载的方法，该方法在构建MOFs之前，先将Pt金属引入到了卟啉配体中，从而保证了单原子Pt在MOFs中的高含量负载（12 wt%）。该超薄卟啉基纳米片在光催化过程中具有显著优势。例如，超薄的厚度（2.4 ± 0.9 nm），高的比表面积（570 m²/g）使得大量的活性位点充分暴露，同时缩短光生载流子从材料内部向表面迁移的距离，从而大大降低了光生载流子的复合猝灭几率。在大于420 nm波长的可见光照射下的光催化水分解产氢测试中（图2a-c），该超薄MOF纳米片表现出优异的产氢性能（11320 μmol g^-1 h^-1）和循环稳定性（经过多个循环后依然保持了其93%的催化活性）；该催化性能好于目前已报道的MOF基光催化材料。此外，所得到的纳米片还能通过简单的溶剂挥发成膜法沉积到固体基板上形成均匀的薄膜（图2d,e），且该薄膜保留了高的光催化活性（17.8 mmol h^-1 m^-2），表明该PtSA-MNS超薄纳米片具备良好的可加工性。该研究不仅提供了一种简单的制备具有高单原子负载量催化材料的方法，实现了单原子负载量的突破，同时也为超薄两维催化材料的制备提供了新思路。

图1. 负载单原子铂的超薄MOF纳米片（PtSA-MNS）的形貌与结构表征。a）合成路线及结构示意图；b）透射电子显微镜照片；c）原子力显微镜照片；d）高分辨透射电子显微镜照片（内插图：选区电子衍射图）；e）元素分布图；f）球差电子显微镜照片；g）扩展X-射线吸收精细结构谱图。

图2. 光催化性能表征。a）相似条件下不同光催化剂的产氢速率比较；b）催化剂的循环稳定性测试；c）沉积到固态基板（例如玻璃）上的PtSA-MNS薄膜的光催化产氢速率；d）PtSA-MNS薄膜的扫描电子显微镜断面图（内插图：玻璃基板上薄膜的数码照片）；e）薄PtSA-MNS膜产氢过程中的实时数码照片。

相关研究成果发表在近期的Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是上海交通大学的博士研究生左权，通讯作者为上海交通大学麦亦勇教授和周永丰教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultrathin Metal-Organic Framework Nanosheets with Ultrahigh Loading of Single Pt Atoms for Efficient Visible-Light-Driven Photocatalytic H₂ Evolution

Quan Zuo, Tingting Liu, Chuanshuang Chen, Yi Ji, Xueqing Gong, Yiyong Mai, Yongfeng Zhou

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201904058

导师介绍

周永丰

https://www.x-mol.com/university/faculty/12601

麦亦勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/12566

（本稿件来自Wiley）