Cu2O/Ni-MOF-74 S型异质结的构建及其光催化产氢性能的突破性研究

针对MOFs材料光生载流子复合快、稳定性差等问题，研究人员通过溶剂蒸发法构建Cu2O/Ni-MOF-74 S型异质结（S-scheme heterojunction），利用费米能级差异诱导的内建电场促进电荷分离。该复合催化剂在10 W白光下产氢量达116.44 μmol，较单一组分提升2.88-4.89倍，为清洁能源开发提供新思路。

　　

在全球能源危机与环境问题日益严峻的背景下，氢能因其高能量密度和零碳排放特性成为最具潜力的清洁能源替代品。然而，传统化石燃料制氢技术存在高能耗、高污染等问题，而光催化水分解技术可直接将太阳能转化为氢能，成为研究热点。金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）因其超高比表面积和可定制的孔道结构被视为理想光催化材料，但单组分MOFs普遍面临载流子复合快、光稳定性差等瓶颈。Cu₂O虽具有优异的可见光吸收能力，却因Cu(I)易氧化导致光腐蚀。如何通过材料设计协同提升催化剂的稳定性和活性，成为该领域的关键科学问题。

针对上述挑战，中国的研究团队创新性地将Cu₂O负载于层状Ni-MOF-74基底，构建了NMC S型异质结光催化体系。研究采用溶剂蒸发法（solvent evaporation method）实现Cu₂O的精准负载，结合X射线衍射（XRD）、电化学测试和密度泛函理论（DFT）计算等手段系统表征材料性能。

主要研究结果

1. 材料合成与表征：通过溶剂蒸发法成功制备Cu₂O/Ni-MOF-74复合材料，XRD证实Cu₂O的(110)、(111)晶面特征峰（29.80°、36.64°），Ni-MOF-74结构保持完整。
2. 光催化性能：NMC-20%样品在10 W白光下5小时产氢量达132.05 μmol，分别是Ni-MOF-74和Cu₂O的3.17倍和6.55倍，归因于S型异质结的高效电荷分离机制。
3. 机理分析：费米能级差异诱导的能带弯曲形成内建电场，驱动Cu₂O导带电子与Ni-MOF-74价带空穴复合，保留强氧化还原位点。DFT计算验证了界面电荷转移路径。

结论与意义
该研究通过精准构建Cu₂O/Ni-MOF-74 S型异质结，解决了单一组分材料稳定性差、电荷分离效率低的核心问题。实验与理论计算相结合的策略为异质结设计提供了范式，其产氢性能的提升对推动绿色氢能产业化具有重要价值。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为MOFs基光催化剂开发开辟了新方向。