综述：MOFs、COFs和MXenes与g-C3N4的可扩展集成用于太阳能制氢：能量转换策略综述

这篇综述系统探讨了金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和MXenes与石墨相氮化碳（g-C3N4）构建异质结的策略，通过协同效应提升光催化水分解制氢（H2）性能，为清洁能源开发提供创新路径。

　　

Abstract

光催化水分解制氢技术因清洁能源需求而备受关注。本综述聚焦MOFs、COFs和MXenes与g-C₃N₄的异质结设计：MOFs凭借可调结构和超高比表面积优化电荷分离；COFs通过模块化合成拓展光吸收范围；MXenes（如Ti₃C₂）则提供导电网络拓宽光谱响应。三者协同g-C₃N₄显著提升H₂析出速率，为规模化应用提供新思路。

Introduction

化石能源危机推动氢能发展，其中g-C₃N₄因2.7 eV带隙和可见光响应成为明星催化剂，但其电荷复合快、活性位点少的缺陷亟待解决。MOFs的孔隙工程可定向调控载流子传输；COFs的原子级精准结构赋予其独特光电特性；Ti₃C₂ MXenes的类金属导电性则能加速界面电子转移。三者与g-C₃N₄的差异化协同机制成为研究焦点。

Structural Insights of g-C₃N₄

g-C₃N₄存在七种晶型，其中g-h-七嗪相最稳定。其层间范德华力允许功能化修饰，但本征缺陷导致催化效率受限。通过尿素热聚合（550°C）可制备多孔结构，比表面积提升至200 m²/g以上。

MOF/g-C₃N₄异质结

ZIF-8/g-C₃N₄通过原位生长形成II型异质结，H₂产率提升8倍。UiO-66-NH₂的氨基与g-C₃N₄形成氢键，加速空穴迁移。值得注意的是，MOF热稳定性差的问题通过原子层沉积Al₂O₃包覆得到改善。

COF/g-C₃N₄异质结

TPB-DMTP-COF与g-C₃N₄构建的S型异质结实现12.3 mmol/g/h的H₂产率。COFs的π共轭体系将光吸收边红移至650 nm，且其孔径可调控为2-5 nm以负载Pt助催化剂。

Ti₃C₂/g-C₃N₄异质结

HF蚀刻法制备的Ti₃C₂表面富含-F/-OH基团，与g-C₃N₄形成肖特基结。其功函数（4.2 eV）低于g-C₃N₄的CB（-1.1 eV），使电子转移速率提升3个数量级。

Recyclability Test

MOF基异质结经4次循环后活性保持90%，而MXene体系因氧化需氩气保护。COFs的化学稳定性最佳，但机械强度不足需基底支撑。

Conclusions

三类材料中，MOFs适合精密调控但稳定性差，COFs长于光谱设计但合成复杂，MXenes导电优异却需防氧化。未来需开发原位表征技术解析界面动力学，推动实际应用。