《基于缺陷工程的Z型异质结MOFs/g-C₃N₄复合光催化剂构建及其CO₂还原性能研究》开题报告

《基于缺陷工程的Z型异质结MOFs/g-C₃N₄复合光催化剂构建及其CO₂还原性能研究》开题报告

一、选题背景与意义

1. 现实需求
   全球碳排放激增引发气候危机，光催化CO₂转化技术兼具环境修复与能源再生双重价值。

2. 科学瓶颈
   传统光催化剂（如TiO₂）存在可见光响应弱、载流子复合率高、产物选择性差等缺陷。

3. 突破方向
   金属有机框架（MOFs）与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）构建Z型异质结，结合氧空位缺陷工程，可协同提升光生电子-空穴分离效率与表面反应活性。

二、研究内容

1. 材料设计与合成

   水热法合成NH₂-UiO-66型MOFs，通过H₂还原调控氧空位浓度

   热聚合法制备多孔g-C₃N₄，与MOFs通过原位生长构建异质结

2. 结构表征

   XRD/SEM/TEM分析晶体结构与形貌

   XPS/EPR验证氧空位存在及浓度

   UV-vis DRS/BET测定光吸收性能与比表面积

3. 性能测试

   气相光催化CO₂还原体系（300W Xe灯模拟太阳光）

   GC-MS定量分析CH₄/CO产率及选择性

   光电化学测试（EIS/Mott-Schottky）揭示载流子传输机制

三、创新点

1. 双策略协同
   首次将MOFs缺陷工程与Z型异质结设计耦合，突破单一改性策略局限。

2. 动态机制解析
   通过原位FTIR追踪CO₂吸附-活化路径，阐明氧空位对*COOH中间体的稳定作用。

3. 工艺优化
   开发室温常压合成工艺，避免高温高压能耗，契合绿色化学理念。

四、技术路线

MOFs前体合成，g-c3n4制备----复合催化剂表征---光催化CO₂还原测试---反应动力学/路径分析---构效关系模型构建

五、预期成果

1. 获得CO₂转化率＞50 μmol·g⁻¹·h⁻¹、CH₄选择性＞85%的优化材料

2. 发表SCI二区论文1-2篇，申请专利1项

3. 建立缺陷浓度-能带结构-催化活性关联模型