Research Status and Progress of MOFs with Application in Photoelectrochemical Water-splitting

doi:10.7503/cjcu20210613

Abstract

Abstract:

Photoelectrochemical water-splitting has been considered as one of the most efficient methods to convert solar energy into chemical energy. Compared to the photocatalytic system with powder photocatalyst， the photoelectrochemical system using an H-type electrolytic cell possesses advantages of wider material selection range， higher charge transfer and separation efficiency， and easier ways to recycle photocatalysts. In recent years， more and more researches focus on applying metal-organic frameworks（MOFs） as the photoelectrodes in photoelectrochemical water-splitting reactions. Compared to inorganic photocatalysts， MOFs semiconductors exhibit large surface areas and tunable structures， which are beneficial to photocatalysis. In this review， we summarized research status and progress of MOFs in photoelectrochemical water-splitting applications according to the classification of MOF-based photoelectrode， including MOFs photoelectrode， MOFs-based heterostructure photoelectrode and MOFs-derived photoelectrode. This review also covers some typical research cases in the field of photocatalysis， which provides references for the research of MOFs in the field of photoelectrochemical water-splitting. Finally， research trends and hotspots in this field are also discussed.

Key words: Metal-organic frameworks（MOFs）, Photoelectrochemical catalysis（PEC）, Photoelectrode, Water splitting

CLC Number:

O646

TrendMD:

SHI Xiaofan, ZHU Jian, BAI Tianyu, FU Zixuan, ZHANG Jijie, BU Xianhe. Research Status and Progress of MOFs with Application in Photoelectrochemical Water-splitting[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210613.

Figures/Tables 8

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Metal center	Photoelectrode	Light source	Electrolyte	Potential/V （vs. RHE）	Photocurrent density/ （mA·cm^-2）
Ti	TiO₂@NH₂?MIL?125^［71］	Xenon lamp	Artificial seawater	1.21	3.04
	TiO₂/NH₂?MIL?125^［72］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	1.63
Fe/Co/Ni	BiVO₄@Co₂（bim）₄^［76］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	1.20
	Fe₂O₃/NH₂?MIL?101（Fe）^［77］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	2.27
	Ti doped Fe₂O₃@ZIF?67	AM 1.5G	1 mol/L KOH	1.23	0.80
	Fe@Ni?MOF/Fe₂O₃：Ti^［79］	AM 1.5G	1 mol/L KOH	1.23	2.30
	BiVO₄@CoNi?MOF^［75］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	3.20
	FeNi?MOF/TNTA^［80］	AM 1.5G	0.1 mol/L Na₂SO₄	1.23	1.90
	Fe₂O₃/MIL?88B@ZIF?67^［81］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	2.52
Zr	TiO_2//UiO?67^［83］	Xenon lamp（280―800 nm）	1 mol/L H₂SO₄	1.23	2.10
			0.5 mol/L Na₂SO₄		1.91
			1 mol/L KOH		2.38
	ZnO/Zr?MOF?25%^［85］	AM 1.5G	Acetonitrile solution with 1 mmol/L I₂	1.20	4.12
Zn	ZnO/ZIF?8@N?CDs^［86］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	0.35
	ZnO@ZIF?8/ZIF?67^［87］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	0.11
	Co₃O₄@NH₂?MOF?5/NF^［88］	Visible light	1 mol/L KOH	1.49	32.93
	ZnNi?MOF@ZnO^［89］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.20	1.40

Metal center	Photoelectrode	Light source	Electrolyte	Potential/V （vs. RHE）	Photocurrent density/ （mA·cm^-2）
Ti	TiO₂@NH₂?MIL?125^［71］	Xenon lamp	Artificial seawater	1.21	3.04
	TiO₂/NH₂?MIL?125^［72］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	1.63
Fe/Co/Ni	BiVO₄@Co₂（bim）₄^［76］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	1.20
	Fe₂O₃/NH₂?MIL?101（Fe）^［77］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	2.27
	Ti doped Fe₂O₃@ZIF?67	AM 1.5G	1 mol/L KOH	1.23	0.80
	Fe@Ni?MOF/Fe₂O₃：Ti^［79］	AM 1.5G	1 mol/L KOH	1.23	2.30
	BiVO₄@CoNi?MOF^［75］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	3.20
	FeNi?MOF/TNTA^［80］	AM 1.5G	0.1 mol/L Na₂SO₄	1.23	1.90
	Fe₂O₃/MIL?88B@ZIF?67^［81］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	2.52
Zr	TiO_2//UiO?67^［83］	Xenon lamp（280―800 nm）	1 mol/L H₂SO₄	1.23	2.10
			0.5 mol/L Na₂SO₄		1.91
			1 mol/L KOH		2.38
	ZnO/Zr?MOF?25%^［85］	AM 1.5G	Acetonitrile solution with 1 mmol/L I₂	1.20	4.12
Zn	ZnO/ZIF?8@N?CDs^［86］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	0.35
	ZnO@ZIF?8/ZIF?67^［87］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.23	0.11
	Co₃O₄@NH₂?MOF?5/NF^［88］	Visible light	1 mol/L KOH	1.49	32.93
	ZnNi?MOF@ZnO^［89］	AM 1.5G	0.5 mol/L Na₂SO₄	1.20	1.40

MOFs precursor	MOFs?based photoelectrode	Light source	Electrolyte	Potential/V （vs. RHE）	Photocurrent density/ （mA·cm^-2）
NH₂?MIL?125	MoS₂ coupled dual?phase TiO₂^［92］	AM 1.5G	0.35 mol/L Na₂S and 0.25 mol/L Na₂SO₃	1.2	1.2
	Ti_xFe_1-_xO_y@Fe₂O₃^［93］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	0.724
	M?TiO₂/CdSe^［94］	AM 1.5G	0.25 mol/L Na₂S and 0.35 mol/L Na₂SO₃	0.9	7.55
ZIF?67	Co₃O₄/BiVO₄^［95］	Xenon lamp	0.5 mol/L K₂H₂PO₄ with Na₂SO₃	1.23	2.35
	Co₃O₄/TiO₂^［96］	Xenon lamp	1 mol/L NaOH	1.23	1.04
	Co₃C/TiO₂^［98］	―	1 mol/L NaOH	1.23	2.6
ZIF?8/ZIF?67	Zn_0.4Co_0.6O₄/BiVO₄^［97］	AM 1.5G	0.5 mol/L K₂H₂PO₄	1.23	3.55
MIL?88B	Fe₂O₃@C photoanode^［99］	AM 1.5G	Neutral aqueous	1.65	2.5
	FeP@C photocathode^［99］	AM 1.5G		-0.07	10
HKUST?1	FeOOH/Cu₂O/Ce?Fe₂O₃^［101］	AM 1.5G	1 mol/L KOH	1.23	4.2

MOFs precursor	MOFs?based photoelectrode	Light source	Electrolyte	Potential/V （vs. RHE）	Photocurrent density/ （mA·cm^-2）
NH₂?MIL?125	MoS₂ coupled dual?phase TiO₂^［92］	AM 1.5G	0.35 mol/L Na₂S and 0.25 mol/L Na₂SO₃	1.2	1.2
	Ti_xFe_1-_xO_y@Fe₂O₃^［93］	AM 1.5G	1 mol/L NaOH	1.23	0.724
	M?TiO₂/CdSe^［94］	AM 1.5G	0.25 mol/L Na₂S and 0.35 mol/L Na₂SO₃	0.9	7.55
ZIF?67	Co₃O₄/BiVO₄^［95］	Xenon lamp	0.5 mol/L K₂H₂PO₄ with Na₂SO₃	1.23	2.35
	Co₃O₄/TiO₂^［96］	Xenon lamp	1 mol/L NaOH	1.23	1.04
	Co₃C/TiO₂^［98］	―	1 mol/L NaOH	1.23	2.6
ZIF?8/ZIF?67	Zn_0.4Co_0.6O₄/BiVO₄^［97］	AM 1.5G	0.5 mol/L K₂H₂PO₄	1.23	3.55
MIL?88B	Fe₂O₃@C photoanode^［99］	AM 1.5G	Neutral aqueous	1.65	2.5
	FeP@C photocathode^［99］	AM 1.5G		-0.07	10
HKUST?1	FeOOH/Cu₂O/Ce?Fe₂O₃^［101］	AM 1.5G	1 mol/L KOH	1.23	4.2

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