成果展示

通過模擬自然光合作用，將CO2與H2O轉(zhuǎn)化為增值燃料，實現(xiàn)整體反應是降低大氣CO2水平的一種有前途的方法。其中，構(gòu)建具有快速電子轉(zhuǎn)移和相互作用的兩個或多個催化位點的催化劑可能是耦合光催化CO2還原和H2O氧化的有效策略。 基于此，華南師范大學蘭亞乾教授和Yong Yan（共同通訊作者）等報道了基于MOF∪COF協(xié)同作用，精心設計并合成了一種晶態(tài)異金屬簇催化劑，稱為MCOF-Ti6Cu3，具有氧化能力的Ti-O簇和具有還原能力的Cu簇，用于有效耦合光催化CO2還原和H2O氧化。通過相對溫和的動態(tài)共價鍵定向組裝制備的MCOF-Ti6Cu3，能夠?qū)崿F(xiàn)快速電子轉(zhuǎn)移和團簇之間的協(xié)同相互作用，而不會破壞固有的單個組分，并保持其氧化和還原性能。在模擬太陽光照射下，MCOF-Ti6Cu3在生成HCOOH方面表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性，12 h內(nèi)產(chǎn)率為20.39?μmol（速率約為169.8?μmol g-1 h-1），同時釋放O2，在已報道的非貴金屬光催化劑中處于較高水平。

X射線光電子能譜（XPS）證實了MCOF-Ti6Cu3中存在內(nèi)部電場，其中Ti簇指向Cu簇。值得注意的是，原位XPS和密度泛函理論（DFT）計算證明，電子在光激發(fā)條件下到達Cu簇，并在Cu簇處發(fā)生還原反應，在Ti簇處發(fā)生氧化反應，與預先設計的材料的氧化和還原中心一致。此外，原位漫反射紅外傅里葉變換光譜（DRIFTS）和DFT計算明確地揭示了光反應的中間體和機理。該工作不僅為構(gòu)建異質(zhì)金屬簇催化劑提供了合理的策略，而且還通過使用準確的結(jié)構(gòu)模型深入了解光催化整體反應?？傊?，該研究結(jié)果可能有助于闡明晶體材料在光催化CO2和H2O轉(zhuǎn)化全反應領(lǐng)域的應用。

背景介紹

利用太陽能將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為碳基燃料是解決全球變暖和能源供應問題的潛在解決方案，符合全球綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。然而，由于光生電子-空穴對的快速復合不能同時滿足克服CO2分子的高化學惰性和水的緩慢氧化的動力學，因此實現(xiàn)光催化整體氧化和還原反應還有面臨著巨大挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合兩個或多個催化位點來實現(xiàn)氧化和還原中心的空間分離、電子的快速轉(zhuǎn)移和功能相互作用可能是實現(xiàn)整體光反應的一種有前途的策略。然而，這些策略存在合成步驟復雜和無法原子尺度控制的問題，阻礙了在原子水平上理解光催化。

金屬有機骨架（MOFs）和共價有機骨架（COFs）在光催化CO2轉(zhuǎn)化方面具有巨大潛力，但是在原位合成晶體材料中難以準確控制具有雙活性位點的骨架材料結(jié)構(gòu)會限制其在CO2轉(zhuǎn)化方面的發(fā)展。在單一材料中實現(xiàn)具有不同功能的雙活性位點的主流方法是將光活性中心整合到結(jié)構(gòu)中或合成后修飾，但存在合成繁瑣和產(chǎn)物不確定性等問題。因此，通過共價鍵定向組裝兩種具有氧化和還原能力的不同團簇來制備結(jié)晶多孔催化劑可能是人工光合作用的全新策略。由于不同團簇在合成和結(jié)晶過程中的穩(wěn)定性和溶解度問題，幾乎沒有報道通過共價鍵連接來構(gòu)建團簇基結(jié)晶多孔催化劑。

圖文解讀

合成與表征作者利用已知方法制備了兩種前體[Ti6O6(OiPr)6(AB)6]（AB?=?4-氨基苯甲酸鹽；HOiPr?=?異丙醇，表示為Ti6）和[Cu3(PyCA)3]（1H-PyCA?=?吡唑酸-4-甲醛，表示為Cu3）。接著，在真空溶劑熱條件下，將Ti6和Cu3在均三甲苯和N, N-二甲基甲酰胺（DMF）的混合物中進行縮合合成了MCOF-Ti6Cu3。

圖1.制備和表征

圖2. 比較光化學性質(zhì)催化性能在模擬太陽光照射下，MCOF-Ti6Cu3光催化還原CO2的主要產(chǎn)物為HCOOH，光照12 ?h后產(chǎn)率達到9.28 ?μmol（77.3?μmol?g-1?h-1），而未檢測到氣態(tài)產(chǎn)物，具有較高選擇性。將10?mg MCOF-Ti6Cu3分散到30 mL去離子水中后，高頻超聲30? min獲得厚度為4.83 nm的納米片，在12 h后HCOOH的產(chǎn)率提高至20.39 μmol（169.8 μmol?g-1?h-1），優(yōu)于大多數(shù)已報道的非貴金屬光催化劑性能。此外，MCOF-Ti6Cu3在連續(xù)4次循環(huán)中保持了生成HCOOH的原始光催化效率。MCOF-Ti6Cu3納米片在光催化過程中具有優(yōu)異的耐久性，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH的時間依賴性轉(zhuǎn)化率證實，該轉(zhuǎn)化率隨時間逐漸增加。

圖3.各種光催化劑的CO2RR性能結(jié)構(gòu)和機理研究XPS測量顯示，在Ti6中觀察到的459.0 eV的Ti 2p結(jié)合能與Ti4+相同，而Cu3中932.8 eV和934.6 eV的Cu 2p結(jié)合能分別分配給Cu1+和Cu2+。原位XPS測量發(fā)現(xiàn)，在輻照下，Ti 2p 結(jié)合能從458.46 eV增加到458.61 eV，而Cu 2p結(jié)合能從932.94 eV降低到932.78 eV，表明部分電子在光激發(fā)下返回Cu團簇。因此，在MCOF-Ti6Cu3上將CO2光催化還原為HCOOH的活性中心是Cu簇。

圖4. XPS和原位測量根據(jù)原位DRIFTS分析和DFT計算結(jié)果，作者提出了MCOF-Ti6Cu3上CO2還原和H2O氧化的可能機理。作者推測Cu簇可能是CO2還原的活性位點，而H2O的吸附和活化在Ti簇處。在輻照下，光生電子和空穴分別分離并轉(zhuǎn)移到Cu簇和Ti簇中；接著在Cu簇和Ti簇上同時發(fā)生還原和氧化反應。在Cu簇上，將CO2轉(zhuǎn)化為*COOH，形成的*COOH進行再次反應生成HCOOH。而H2O在Ti簇上的氧化過程是H2O向OH?轉(zhuǎn)化過程的兩倍。當HCOOH從體系中解吸時，兩個OH?自由基結(jié)合生成O2和H2O，從而維持了催化體系的電荷平衡。因此，CO2和H2O形成*COOH和OH?是光催化整個反應過程中的速率決定步驟。

圖5.機理和DFT計算

文獻信息

Linking oxidative and reductive clusters to prepare crystalline porous catalysts for photocatalytic CO2 reduction with H2O. Nature Communications,2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32449-z. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32449-z.

審核編輯 ：李倩