《Materials Today》刊發(fā)化學與化工學院王靖宇教授課題組光催化二氧化碳還原綜述
2025年1月3日，華中科技大學王靖宇教授課題組在國際著名材料期刊《Materials Today》發(fā)表題為“Rational design of metal-organic framework based photocatalysts correlated with specific additives for driving gas-liquid-solid CO2 reduction（金屬有機框架基光催化劑結構設計關聯(lián)CO2還原助劑選擇）”的論文。論文第一作者為華中科技大學碩士生何慧杰與牛津大學交流學生翟威凱，王靖宇教授為論文通訊作者。
光催化二氧化碳轉化為高附加值產(chǎn)物在緩解溫室效應和解決能源危機方面?zhèn)涫荜P注。金屬有機框架（MOFs）等晶態(tài)多孔材料，因高孔隙率、高比表面積和結構可調等優(yōu)點，在光催化還原二氧化碳領域得到了廣泛應用。氣-液-固相反應體系由于反應溫度接近室溫、催化劑易于分散等優(yōu)點，適用于這類含有機基團的MOFs光催化劑。不同于氣-固模式下CO2直接與水蒸氣反應，氣-液-固相反應體系相對復雜，涉及多種多樣的添加劑（如光敏劑和犧牲劑），其選擇很大程度上取決于催化劑的結構設計。然而，目前尚無綜述專門聚焦氣-液-固相反應體系下MOF基材料光催化CO2還原。因此，本文針對MOF基光催化劑的結構合理設計與驅動氣-液-固相CO2還原所需的特定添加劑之間的聯(lián)系，對相關研究進展進行綜述。
本文首先概述了光催化CO2還原的基本原理，反應路徑及產(chǎn)物檢測方法，接著對近年來新興的MOFs結構進行分類。從傳統(tǒng)三維MOFs出發(fā)，衍生至顯著改善活性位點和電子轉移效率的二維MOFs，進一步發(fā)展至MOFs與金屬納米顆粒或半導體復合的催化劑，以提高光生載流子的分離效率。MOF基光催化劑表面CO2還原反應的主要過程包括催化劑吸收光被激發(fā)、光生載流子遷移至催化劑表面、電子參與CO2還原并伴隨空穴消耗。由于MOFs材料普遍具有較寬的帶隙、吸光性能較差，因此反應中需要加入釕、銥配合物等光敏劑來增強催化劑對可見光的響應。另一方面，氧化還原反應過程遵循電荷守恒原則，MOFs材料的光生載流子分離效率較低，需要通過加入匹配的犧牲劑消耗表面光生空穴，從而使CO2還原反應可以持續(xù)進行。針對氣-液-固相二氧化碳還原體系的上述問題，研究者們通過對MOFs結構的合理設計，如將捕光單元接枝到MOF框架，可有效吸收可見光從而避免額外添加光敏劑，如果進一步在MOF框架中同時整合氧化和還原位點，則能實現(xiàn)光生載流子的高效分離而無需外加犧牲劑，以構建綠色可持續(xù)的二氧化碳還原與水氧化全反應。因此本文根據(jù)氣-液-固相CO2還原的反應條件，圍繞光敏劑與犧牲劑共存、僅添加犧牲劑、全反應三種條件，從晶體結構、模塊構筑、光敏單元等方面分析了MOF基光催化劑的結構設計策略，建立MOF基光催化劑結構與反應體系之間的聯(lián)系，并闡明了與催化性能對應的“構-效關系”。
最后本文對MOF基光催化劑用于氣-液-固相光催化還原CO2過程中面臨的挑戰(zhàn)、機遇和前景進行了展望：（1）根據(jù)軟硬酸堿理論選擇電荷密度高的高價金屬離子如Zr4+，Ti4+形成結構穩(wěn)定的MOFs，引入助催化劑和構建異質結，促進光生載流子分離從而提高結構穩(wěn)定性。（2）開發(fā)更加高效的MOF基催化劑，以實現(xiàn)CO2還原與有機合成的協(xié)同反應并獲得高附加值產(chǎn)物。（3）合理設計催化位點以提升多碳產(chǎn)物的選擇性。綜上，本文基于MOF基光催化劑的結構合理設計與驅動氣-液-固相二氧化碳還原所需的特定添加劑之間的聯(lián)系，系統(tǒng)總結了相關研究的最新進展，并就目前所面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景提出展望，為未來設計開發(fā)更加綠色、高效的MOF基光催化劑提供參考。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.12.019
