Modulation of Fe–MOF via second-transition metal ion doping (Ti, Mn, Zn, Cu) for efficient visible-light driven CO2 reduction to CH4

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作者
Yeyin Zhang,Ruting Huang,Yong Fang,Jiacheng Wang,Zijie Yuan,Xinwei Chen,Wenjie Zhu,Yuan Cai,Xianyang Shi
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:336: 126164-126164 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2023.126164
摘要

This study developed metal–organic frameworks (MOFs) with enhanced properties for CO2 conversion by doping second- transition metal ions (Ti, Mn, Zn, and Cu) into Fe–MOF, which resulted in Fe-M−MOF (M = Ti, Mn, Zn, or Cu). The selection of different metal species in the metal cluster nodes of the MOFs significantly impacted the CO2 conversion efficiency. Among the different combinations, the Fe–Cu bimetallic cluster node was identified as the most optimal node. In addition, we investigated various variables and preparation conditions for determining the optimal synthesis conditions for Fe–Cu-MOFs. We observed that a synthesis temperature, time, and pH of 130 °C, 15 h, and 3.2, respectively, yielded the best results. The 13CO2 isotope labeling method confirmed that the carbon source of CO and CH4 were derived from CO2. Under simulated visible-light irradiation (λ ≥ 420 nm), Fe–Cu-T130 exhibited the highest photocatalytic activity, with a CH4 generation rate of up to 444.2 μmol g−1 h−1. This high activity was attributed to several factors. First, the presence of Fe2+, Fe3+, and Cu2+ on the surface of Fe–Cu-T130 resulted in photogenerated electrons and holes under visible-light excitation. Fe2+ accepted electrons to reduce CO2, whereas Fe3+ and Cu2+ oxidized H2O through holes. Second, the polycrystalline structure of Fe–Cu-T130 with abundant surface oxygen vacancies enhanced the chemical reactivity. Finally, the low conduction band position and narrower bandgap of Fe–Cu-T130 facilitated the excitation of electrons into the conduction band, thereby promoting the CO2 reduction reaction. This study successfully demonstrated the enhanced photocatalytic activity of Fe–Cu-T130 for CO2 conversion under visible light. The findings provide insight into the development of MOFs with improved properties for the sustainable and efficient utilization of CO2.
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