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金属有机骨架材料(MOFs),也称为多孔配位聚合物,是由金属离子或金属簇与多齿有机配体构建形成的二维或三维多孔结晶材料。在过去的几年里,MOFs因为其较大的比表面积,可调谐的孔径结构成为化学和材料科学研究的热点。与传统的无机半导体光催化剂相比,MOFs材料内部拥有无数的催化位点,且底物可以通过其孔道扩散至这些位点。因铁是地壳含量最丰富的几种元素之一,Fe基MOF材料在光催化领域中的应用非常广泛。MIL-53(Fe)是由Fe(Ⅲ)八面体和1,4-对苯二甲酸构建的一类含Fe(Ⅲ)基MOF材料,由于其稳定性高,成本低,无毒且可见光响应等特性,被认为是一种理想的光催化剂材料。但由于MIL-53(Fe)光谱响应波段较窄,大大限制了其对太阳光谱的充分利用。在本篇论文中,我们将MIL-53(Fe)与上转换发光材料进行复合,将其制备成负载型及核壳型的复合纳米材料,可将MOF材料对光的吸收范围拓宽到近红外区域,从而显著提高了其光催化性能。具体研究成果如下:1、首先采用微波辅助加热的方法,快速高效地制备了一种具有特殊结构MIL-53(Fe)八面体。该MOF八面体晶面具有独特的凹槽结构,形貌规整且尺度均一。这种凹槽结构有利于将上转换纳米颗粒(UCNP)负载在其表面,从而可获得稳定的MIL-53(Fe)/UCNP复合光催化剂。在该复合材料中,MIL-53(Fe)载体可有效吸收紫外光和可见光,其表面负载的UCNP(NaYF4:Yb,Tm)纳米晶可将近红外光转换成载体MIL-53(Fe)能够利用的紫外和可见光,从而增强了 MOF催化剂对太阳光的利用范围。复合催化剂中UCNPs在MIL-53(Fe)上的负载量,可方便地通过加入颗粒的量来调控。我们系统研究了颗粒负载量对其光催化活性的影响,阐明了载体和上转换颗粒的比例对其光催化性能的影响关系。同时我们通过将MIL-53(Fe)配体TPA更换为2-NH2-TPA,合成了 NH2-MIL-53(Fe)/UCNP复合材料。实验发现氨基的引入可拓宽MOF材料对太阳光及上转换荧光的利用,进一步提高其光催化活性。2、我们开发了一种制备具有均匀核壳结构NaYF4:Yb,Tm@MIL-53(Fe)复合光催化剂的方法。相对于负载型复合材料,该核壳材料可进一步提高催化剂的稳定性,亦可提高对MIL-53(Fe)比表面的利用率,以提供更多的催化活性位点。通过层层生长技术,我们实现了壳层MOFs材料厚度的可控生长,系统探究了 NaYF4:Yb,Tm@MIL-53(Fe)材料的壳层厚度对其光催化性能的影响。同样,我们使用氨基对催化剂中的有机链进行修饰,提高了核壳复合材料的光催化活性能。我们也通过吸收光谱、荧光光谱、光电流、活性物种检测等手段,研究了复合催化剂的光催化机理。荧光寿命的测试结果表明,这种核壳NaYF4:Yb,Tm@MOF复合光催化剂是通过荧光共振能量转移(FRET)的方式来传递能量,比常见的辐射-再吸收过程具有更好的能量传递效率,可显著提高材料对上转换荧光的利用效率。