福建物構所《JACS》:MOFs光催化CO2還原全反應研究獲進展
2020-12-05 騰訊網光催化CO2全還原反應，即模擬自然光合作用吸收太陽能將CO2和H2O轉化為高附加值產物（如碳氫化合物、CO等），具有研究意義與應用前景。晶態多孔的金屬有機框架材料（MOFs）具有可調變的組分及結構，理論上能夠實現原子級的結構設計與調控，近年來成為新興的光催化材料/平臺。目前已報導的用於光催化CO2還原的穩定MOFs多由含Zr、Al等的金屬氧簇與羧酸配體構成，抬高金屬節點的活化能壘，阻礙配體/節點界面的電荷轉移，相比之下，由催化活性較高的金屬元素（如Co、Ni、Cu等）與羧酸配體構成MOFs卻無法保持結構穩定。此外，當前多數體系使用不經濟的空穴犧牲劑，以單方面提高CO2還原半反應的產率，同時反應多限於液相，難以利用MOFs氣體吸附量高的優勢。
有鑑於此，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員曹榮團隊，從MOFs配體與金屬節點配位層的角度入手，選取由吡唑基金屬卟啉與NiOx簇構築的PCN-601作為光催化劑，實現在CO2和水蒸氣的氣固相體系中的光催化CO2全還原反應，其CO2至CH4的產率達到已報導的室溫光催化CO2全還原體系的水平。該反應避免犧牲劑的使用，發揮了MOFs高氣體吸附量的優勢。機理研究剖析熱力學層面上PCN-601結構中光生電荷的遷移路徑，繼而從動力學角度評估吡唑/NiOx簇配位界面上電荷分離與遷移的效率以及結構對反應底物分子的作用情況。
理論及實驗結果證明，相比於羧酸基-ZrOx簇配位層構築的MOFs，PCN-601的吡唑-NiOx簇配位層使其形成穩定框架的同時，有利於光生電子從配體至節點的超快遷移以及CO2、H2O分子的吸附與活化，改善其光催化CO2還原全反應的動力學。該研究表明，通過配位結構的精細設計有望解決MOFs結構穩定性與光催化活性之間的矛盾。
相關研究成果發表在《美國化學會志》上，論文第一作者為博士方志斌。研究工作獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、中科院前沿科學重點研究計劃等的資助，並得到華東理工大學、中科院大連化學物理研究所等的支持。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05530
本文來自「福建物質結構研究所」。
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