Nano Letters：用于光催化H2O2生产的多孔框架材料

第一作者：包晨昊

通讯作者：李兰*，陈智*

单位：中国计量大学

H₂O₂作为一种应用广泛的重要化合物，其需求量和市场规模呈现逐年攀升之势。然而，传统工业生产H₂O₂的蒽醌法存在高能耗和环境污染风险，违背了可持续发展的理念。光催化技术利用取之不竭的太阳能驱动合成H₂O₂是一种绿色环保的生产方式。论文综述了金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）、氢键有机框架（HOF）多孔框架材料的特点以及其作为光催化剂应用于H₂O₂前景。文中介绍了其研究现状、最新进展和先进表征技术，总结归纳了各类材料的改性手段和H₂O₂产率以及催化机理，综合分析了电荷载流子分离和转移、反应途径和材料稳定性等关键因素。最后，讨论了与稳定性、规模化和成本效益相关的挑战以及未来展望。本综述旨在为理解和优化多孔框架材料以实现高效光催化H₂O₂生产提供了见解。

基于此，来自中国计量大学材料与化学学院的陈智/李兰研究团队在国际期刊Nano Letters上发表了题为“ Bringing Porous Framework Materials toward Photocatalytic H₂O₂ Production”的综述文章。该文章介绍了多孔框架材料用于光催化生产H₂O₂的最新研究进展，通过数个具体实例构建起MOFs、COFs和HOFs光催化产H₂O₂的前沿研究框架。

Table of Contents

多孔框架材料光催化生产H₂O₂是一个多步骤过程包括光子捕获、载流子分离/传输、表面氧化还原反应和中间体形成等步。人们通过实验表征和理论计算等手段揭示并阐明这些过程的机理，其中，实验表征可以提供反应途径的直接证据，理论计算可以预测材料结构并进一步预估其性能。因此，引入先进的表征技术手段对机理研究至关重要。本文归纳举例并总结了几种常见且实用的先进表征手段，包括原位红外光谱，温度依赖的光致发光，开尔文探针力显微镜，瞬态吸收光谱，密度泛函理论计算等。

要点二：提高MOFs材料光催化产率的策略

适当的改性策略可以大幅提升MOFs材料的光催化性能。以MOFs材料光催化的数个关键步骤为切入点，通过引入不同官能团来调控半导体带光吸收能力和带隙宽度、调节载流子分离和传输效率、改善反应物吸附能力和保护H₂O₂不被降解。或是通过构建2D结构和晶面工程来改变MOFs材料的晶体形态，超薄MOF纳米片可以确保载流子快速扩散到材料表面，而晶面调控可以提高特定晶面的暴露程度，从而提高活性位点数量，促进更快的表面反应。此外，还可以将金属原子插入MOF中作为助催化剂的改性策略。这种方法旨在创造额外的反应位点或提高载流子分离和传输的效率。

要点三：COFs材料提高产率的改性策略

COFs材料的改性手段与MOFs类似，引入官能团都是可行的。根据基体材料的性质来改善光催化产H₂O₂的关键方面，例如提高光吸收能力和调节带隙宽度、增强COFs在活性位点的O2吸附能力、改善载流子分离和迁移行为、引入富质子基团增强质子耦合电子转移过程并促进氧还原反应、提高样品的亲水性，稳定性和耐用性等。与MOFs不同的是，许多旨在提高载流子利用率的研究采用的策略是通过引入给电子单元和给空穴单元来构建空间分离的氧化还原位点，例如构建D-A、D-A-A、D-π-A 和 D-A-π-D 结构等。另一个决定性因素是COFs的拓扑结构，可以优化微孔结构和活性位点分布以增强光催化性能。

要点四：总结与展望

光催化产H₂O₂的开发取得了实质性的进展，但某些关键领域的挑战阻碍了这项技术的整体效率和扩展性。例如溶解氧对催化速率的限制问题、不同催化剂间普遍的产率和稳定性差异问题、实践经验不足导致工业化转化存在明显短板等问题。针对这些劣势，本文开创性地从多角度提出了今后研究的改进方向。例如增强稳定性、优化合成技术、提高传质效率、探索HOFs的研究潜力、增加催化剂的长时间性能测试、设计更高效的反应器、定制更好的氧气源方案、引入大数据和机器学习的技术、探索不同材料之间的集成或组合构建的复合催化剂的潜力等等。

Bringing Porous Framework Materials toward Photocatalytic H₂O₂ Production

李兰博士简介：中国计量大学助理研究员/硕士生导师，博士毕业于中国科学院福建物质结构研究所，师从曹荣研究员/刘天赋研究员。研究方向可控设计和精确合成晶态框架材料(MOF、HOF)及光催化等方面应用研究。迄今为止，申请人在此领域的研究中已发表SCI学术论文40余篇，其中以第一作者/通讯作者身份在申请人以第一作者或者通讯身份在Nano Lett.、CCS Chemistry、Chem. Mater.、J. Hazard. Mater.、Small Methods、J. Catal.等国际著名期刊上发表SCI论文17篇，授权国家发明专利1项，论文引用2100次以上，H因子21。主持浙江省自然科学基金探索青年项目等。

包晨昊，2018年本科就读于中国计量大学材料科学与工程学院，2023年至今在中国计量大学材料与化学学院攻读硕士，师从李兰/陈智老师，主要研究方向为氢键有机框架材料（HOFs）的开发及其光催化应用。