微波辅助快速合成TiO2 NFs@COF S型异质结光催化剂及其高效光催化产氢性能研究

为解决传统COFs（共价有机框架）合成周期长、界面稳定性差等问题，研究人员通过微波加热法快速构建了TiO2 纳米纤维@COF的S型异质结光催化剂。该材料展现出58.30 mmol g?1 h?1 的产氢速率，较纯组分提升21.35倍，并通过原位XPS和DFT计算证实了S型电荷转移机制，为无机-有机异质结的绿色制备提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，太阳能驱动的水分解制氢技术成为研究热点。然而，光催化剂普遍面临电荷复合快、可见光利用率低等瓶颈。传统共价有机框架（COF）材料虽具有可调能带结构，但其合成往往需要数天高温反应，且与无机半导体界面结合弱。针对这些问题，中国的研究团队创新性地采用微波辅助法，仅用1小时便在TiO₂
纳米纤维表面原位生长苯并咪唑基COF（PABZ-TP-COF），构建出高效稳定的S型异质结光催化剂。相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

研究团队运用微波水热法实现COF快速结晶，通过PXRD和BET表征材料结构，结合原位XPS、EPR（电子顺磁共振）和DFT（密度泛函理论）计算揭示电荷转移路径。选用350 W氙灯模拟太阳光，通过气相色谱定量评估产氢性能。

结构分析
PXRD显示COF特征峰（3.9°、8.9°）与模拟结果吻合，TiO₂
的锐钛矿相（2θ=25.3°）在复合后保持稳定。BET测试表明最优样品CT180比表面积达380 m²
/g，为电荷传输提供丰富活性位点。

光催化性能
CT180的产氢速率达58.30 mmol g^?1
h^?1
，分别是纯TiO₂
NFs和COF的21.35倍和4.17倍。UV-Vis DRS证明复合后光吸收边红移至600 nm，大幅提升可见光捕获能力。

机制验证
原位XPS发现光照后TiO₂
的Ti 2p结合能正移0.5 eV，而COF的C 1s负移0.3 eV，证实电子从COF向TiO₂
迁移。EPR检测到•O₂
^?
信号增强，结合DFT计算的能带排列，明确S型机制主导电荷分离。

该研究通过微波技术突破COF合成时效瓶颈，创制的异质结兼具快速载流子分离（S型机制）与广谱光吸收优势。CT180的产氢性能超越多数报道的g-C₃
N₄
基催化剂，为清洁能源材料开发提供新范式。研究还建立了微波参数-结晶度-界面特性-光活性的构效关系，对推动光催化工业化具有重要指导价值。