张金龙课题组 ACS Catalysis:构建Ni单原子负载的有序多级孔ZIF-8用于选择性光催化CO₂还原

邃瞳科学云

2023-05-19

导读：本工作证明了Ni单原子（SAs）和SOM-ZIF-8的有效结合可以抑制光催化CO2还原反应体系外的竞争反应（HER），并促进催化反应中间体的演变

第一作者：刘志国

通讯作者：吴仕群，张金龙

通讯单位：华东理工大学

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acscatal.3c01118

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本工作利用MOFs在制备原子级分散的活性位点方面的优势，对Ni 单原子（SAs）在光催化CO₂还原过程中的反应机理进行了深入的研究，并探讨了光催化CO₂还原反应体系外的竞争反应（HER）对选择性的影响。通过硬模板和双溶剂结晶策略制备了Ni SAs负载的具有有序多级孔结构的ZIF-8（Ni/SOM-ZIF-8）光催化剂。首先，通过CO₂气体吸脱附实验说明Ni/SOM-ZIF-8中存在的大孔促进了CO₂分子在晶体结构内的扩散和富集。随后，通过X射线吸收精细结构谱图（XAFS）和结构拟合证明了Ni原子是单原子分散的状态。并进一步通过吉布斯自由能的计算结果证实Ni SAs的引入不仅抑制了HER反应，而且降低了CO₂光还原过程中的反应能垒（*COOH → *CO）。最后，在有序大孔促进CO₂分子扩散和单原子提供最大的原子利用率的强强结合下，实现了CO产物的高效和选择性生成。

背景介绍

作为分子反应室的ZIF-8的微孔可以有效地捕获和禁锢CO₂分子，但是缺乏活化和还原CO₂分子的活性位点。构筑可以高效活化和还原CO₂分子的活性位点是将CO₂还原效率最大化的可行手段。最近，由于单原子催化剂（SACs）在电催化和光催化中具有最高的原子利用率和优异的催化性能，使人们对SACs的研究越来越感兴趣。据报道，在半导体催化剂上锚定过渡金属单原子（如Ni、Cu和Co），是提高光生电荷迁移率和优化CO₂光还原过程中反应能垒的有效且经济的策略。同时，ZIF-8的多孔结构和丰富的有机官能团为锚定过渡金属单原子提供了卓越的优势，可以抑制单原子的团聚。因此，基于晶体结构的改变和电子效应的存在，引入过渡金属单原子改变局部微环境可能会影响ZIF-8的CO₂光还原的活性和选择性。因此，将过渡金属单原子固定在ZIF-8上作为光催化剂是实现高效和选择性CO₂光还原的有效方法，同时可以为研究单原子诱导的反应机制提供平台。

本文亮点

1. 通过硬模板和双溶剂结晶策略制备了Ni SAs负载的具有有序多级孔结构的ZIF-8（Ni/SOM-ZIF-8）光催化剂。

2. 有序多级孔ZIF-8中大孔的存在暴露出更多固有的微孔结构，促进了CO₂分子在晶体结构内的扩散和富集。

3. CO产物的产率和电子选择性分别为4.2 mmol g^-1 h^-1和94%，说明Ni SAs的引入不仅可以很好地抑制HER副反应，而且可以提供大量的活性位点，同时提高选择性和产量。

4. 本研究说明构建过渡金属单原子耦合MOFs的光催化剂可以实现HER反应的抑制和高效的光催化CO₂还原，并结合理论计算给出了合理的解释。

图文解析

图1（a）Ni/SOM-ZIF-8光催化剂合成过程示意图。（b）3D PS蛋白石的SEM图像。（c）Ni/SOM-ZIF-8的SEM图片（内插图是Ni/SOM-ZIF-8的模型）。单个Ni/SOM-ZIF-8的（d）STEM和（e）HAADF-STEM图片。（f）C、（g）N、（h）Zn和（i）Ni元素的mapping图片。

Ni/SOM-ZIF-8光催化剂的合成过程示意图如图1 a所示。首先，将单分散的聚苯乙烯（PS）球自组装成3D PS蛋白石模板（图1 b），用作形成有序大孔光催化剂的模板。将含有Ni²⁺、Zn²⁺和二甲基咪唑的CH₃OH混合溶液前驱体填充到3D PS蛋白石模板的空隙中。随后，将前驱体填充的3D PS蛋白石模板浸入到甲醇/氨水（CH₃OH/NH₃·H₂O，1:1，v/v）混合溶液中，CH₃OH/NH₃·H₂O的混合溶液可以促进前驱体快速结晶，从而形成3D Ni/PS/ZIF-8中间体。NH₃·H₂O的存在可以加速ZIF-8原料的结晶过程，而CH₃OH可以有效地稳定ZIF-8晶体并保持ZIF-8成核和生长之间的平衡。最后，在保护气氛（Ar）下通过煅烧去除PS模板，最后获得Ni SAs锚定的有序多级孔（SOM）ZIF-8催化剂。通过扫描电子显微镜（SEM）可以观察Ni/SOM-ZIF-8的形貌，如图1 c所示，Ni/SOM-ZIF-8是单分散的有序大孔多面体。通过扫描透射电子显微镜（STEM）进一步观察Ni/SOM-ZIF-8光催化剂的大孔结构，通过图片可以看出大孔中没有残留的3D PS蛋白石模板（图1 d）。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图片可以更加清晰地观察Ni/SOM-ZIF-8催化剂的形貌，大孔中没有任何的残留物且大孔的表面没有明显的大颗粒存在。进一步的，测试了相应元素的mapping图片，Ni/SOM-ZIF-8表面无明显的团聚亮点，说明C、N、Zn和Ni元素高度均匀地分散在催化剂中（图1 e-i）。

图2（a）和（b）不同催化剂的 X 射线衍射（XRD）图谱。（c）3D Ni/PS/ZIF-8在Ar中的热重（TG）曲线。（d）ZIF-8、SOM-ZIF-8和Ni/SOM-ZIF-8的CO₂-TPD曲线。（e）Ni/SOM-ZIF-8、Ni箔片、NiO、Ni₂O₃和Ni Pc的Ni元素的K边缘XANES光谱（内插图为扩展的边前峰区域）。（f）Ni/SOM-ZIF-8、Ni箔片、NiO、Ni₂O₃和Ni Pc的R空间的傅里叶变换的Ni K边缘EXAFS光谱。（g）Ni箔片和（h）Ni/SOM-ZIF-8的小波转换（WT）。（i）Ni/SOM-ZIF-8 的第一壳层（Ni-N）傅里叶变换的Ni K边的EXAFS（点）和拟合数据（线），显示在k²加权R空间中。上面的线和下面的线分别为实部和虚部（内插图显示了Ni/SOM-ZIF-8吸附性能优于SOM-ZIF-8的部分结构，这可归因于Ni单原子优异的CO₂吸附能力，灰色球为C，乳白色球为H，深蓝色球为N，橙色球为Zn，红色球为Ni。）

为了确定不同催化剂的晶体结构，进行了粉末X射线衍射（XRD）的表征。XRD图谱显示M/SOM-ZIF-8（M = Ni、Co和Cu）、SOM-ZIF-8、ZIF-8和Ni/ZIF-8催化剂高度均匀的特征峰（图2 a）。另外，在煅烧过程中3D PS蛋白石模板完全被分解。与传统的十二面体ZIF-8相比，SOM-ZIF-8催化剂没有发生晶体结构的畸变，通过XRD图谱中SOM-ZIF-8和ZIF-8的最高峰的放大图的峰位置没有偏移得以证明（图2 b）。为了确认退火过程中3D PS蛋白石模板是否被完全移除，进行了热重（TG）分析（图2 c），TG曲线表明去除模板的理想温度为400 ℃。为了证明多级孔的SOM/ZIF-8和Ni SAs在CO₂分子吸附方面的优势，对ZIF-8、SOM-ZIF-8和Ni/SOM-ZIF-8进行了CO₂气体升温脱附（CO₂-TPD）表征（图2 d）。Ni/SOM-ZIF-8表现出比SOM-ZIF-8更高的CO₂吸附量，说明Ni SAs可以很好地作为CO₂分子的吸附位点。

X射线吸收能谱（XAS）用来阐明Ni/SOM-ZIF-8中Ni SAs的详细结构信息。SOM-ZIF-8与Ni Pc具有相似的XANES图谱，表明具有相似的对称性（图2 e）。XANES光谱的边前峰（峰A）放大图在图2 e的插图中展示，其中在8334 eV处的特征峰属于禁止偶极子但允许四极子的跃迁（1s → 3d），表明中心Ni原子的3d和4p轨道杂化。Ni/SOM-ZIF-8的边前峰强度与Ni Pc相比是增加的，这是由于3d和4p轨道的杂化以及对称性失真引起的偶极子跃迁（1s → 4p）的增加。此外，B峰和C峰分别对应于1s → 4p_x和1s → 4p_y的迁移。B峰和C峰的峰强度比值（I_B/I_C）的增加表明催化剂具有更强的氧还原能力。Ni/SOM-ZIF-8的I_B/I_C比值明显高于Ni Pc，这意味着Ni/SOM-ZIF-8具有出色的还原催化能力。图2 f显示了未校正相位的傅里叶转换的R空间扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱。通过光谱可以观察到Ni/SOM-ZIF-8中没有对应于Ni-Ni金属键的特征峰。Ni箔片（2.17 Å）、NiO（2.54 Å）和Ni₂O₃（2.56 Å）中的Ni-Ni金属键均大于2 Å，而Ni/SOM-ZIF-8中的主峰位置为1.43 Å，明显小于Ni-Ni金属键，同时Ni/SOM-ZIF-8中的1.43 Å处的峰与Ni-O键的峰位置也明显不同，因此1.43 Å处的特征峰也不是Ni-O键。Ni Pc中的主峰位于1.43 Å，且为Ni-N键，因此可以确定Ni/SOM-ZIF-8中的1.43 Å处的峰为Ni-N键。Ni箔片和Ni/SOM-ZIF-8的小波转换进一步支持这一结论，Ni箔片中的Ni-Ni金属键出现在≈7.0 Å左右，而Ni/SOM-ZIF-8中的最大位置约为≈4.5 Å，没有更高的位置的峰存在，因此没有Ni-Ni金属键的存在（图2 g和h）。上述结论证明Ni元素是以单原子的形式存在于SOM-ZIF-8中。最后，根据拟合结果确定Ni/SOM-ZIF-8中Ni SAs与N的配位数为三配位（Ni-N₃），与图2 i中的内插图的单原子结构相匹配。

图3 CO₂光还原。（a）ZIF-8、Ni/ZIF-8、SOM-ZIF-8、Ni/SOM-ZIF-8、Co/SOM-ZIF-8和Cu/SOM-ZIF-8的光催化CO₂还原性能。（b）Ni/SOM-ZIF-8 的表观量子产率（AQY）和紫外可见吸收光谱。（c）Ni/SOM-ZIF-8的CO、CH₄和H₂随时间的累积产量柱状图。（d）Ni/SOM-ZIF-8每0.5 h产生的CO、CH₄和H₂的柱状图。（e）Ni/SOM-ZIF-8的单变量光催化CO₂还原性能测试（1.正常测试环境，2.无TEOA，3.无催化，4.无Ru光敏剂，5.在黑暗中，6.在Ar中）。（f）Ni/SOM-ZIF-8光催化还原 ¹³CO₂得到的¹³CO和¹³CH₄的气质联用（GC-MS）谱图。

对ZIF-8、Ni/ZIF-8、SOM-ZIF-8、Ni/SOM-ZIF-8、Co/SOM-ZIF-8和Cu/SOM-ZIF-8的光催化CO₂还原性能进行评估（图3 a）。与ZIF-8（CO：0.26 mmol g^-1，H₂：0.54 mmol g^-1）的光催化CO₂还原性能相比，SOM-ZIF-8（CO：0.51 mmol g^-1，H₂：1.06 mmol g^-1）的催化性能有所提高。然而，CO产物的选择性基本没有发生变化，表明SOM-ZIF-8仅在宏观结构上进行了优化，晶体结构表面的活性位点以及催化路径与ZIF-8没有区别，这与之前的XRD和CO₂-TPD的结果一致。相比之下，Ni/ZIF-8（CO：0.87 mmol g^-1，H₂：0.26 mmol g^-1）的光催化CO₂还原过程中显著增加了CO产物的产量，但是，H₂的产量没有增加，表明Ni SAs的负载促进了光催化CO₂还原过程中CO的生成，但是对H₂的生成没有促进作用。Ni SAs引入到有序多级孔的SOM-ZIF-8中形成的Ni/SOM-ZIF-8光催化剂表现出最佳的CO₂光还原能力，4 h的CO产量为11.44 mmol g^-1，在相同的测试条件下分别是ZIF-8和SOM-ZIF-8的44倍和22倍。在400 nm的单色光照射下，Ni/SOM-ZIF-8的CO₂光还原系统实现了0.71%的高表观量子产率（AQY），如图3 b示。图3 c显示了Ni/SOM-ZIF-8光催化剂随时间累积的产物产率，从柱状图可以观察到CO的产量逐渐增加，而H₂的产量没有随的延长而增加，进一步证明了Ni/SOM-ZIF-8催化剂会抑制HER反应的发生。为了更深入地探究光催化CO₂还原过程，每0.5 h测量一次产物的产量变化（图3 d）。在前0.5 h观察到最低产率，这可能是由于催化剂的活化过程，导致初始性能不佳。随后催化性能先增强后逐渐衰减，有两种可能的解释：（1）Ni/SOM-ZIF-8光催化剂随时间失活或（2）光敏剂的光敏现象导致光敏剂失活。为了确定性能下降的原因，在第4个小时加入额外的光敏剂，光敏剂加入后的0.5 h的催化剂性能恢复到最高点，表明Ni/SOM-ZIF-8光催化剂没有失活，性能下降是由于光敏剂的光敏化作用，进一步证明了Ni/SOM-ZIF-8光催化剂优异的稳定性。最后，为了确保实验结果的可信度和真实性，需要确认含碳产物中碳元素的来源，因此进行了单变量对比实验（图3 e）。从光催化CO₂还原系统中移除空穴捕获剂（TEOA）后，光催化活性显著下降，因为TEOA的存在会捕获光生空穴从而降低光生载流子的复合率，提高光生电子的利用率。当TEOA被移除后，电子利用率降低从而导致光催化CO₂还原的活性下降。此外，从光催化CO₂还原系统中移除催化剂或光源后都没有检测到任何产物，表明Ni/SOM-ZIF-8是催化体系中唯一有效的光催化剂并且光的驱动是必要的条件。移除Ru光敏剂之后几乎没有产物，说明光生电子来自于Ru光敏化。在光催化CO₂还原的催化过程中用Ar代替CO₂气体后仅检测到H₂的存在，表明CO产物中的碳元素来自于CO₂分子而不是其他的碳源。最后，使用同位素¹³CO₂替换¹²CO₂作为反应物，在气质联用（GC-MS）仪上仅检测到m/z = 29（¹³CO）的产物，没有检测到¹²CO的信号，进一步证实CO中的碳元素来自催化系统中的CO₂气体（图3 f）。

图4（a）Ni、C、N、H和Zn原子之间的差分电荷密度示意图（黄色：电子积累层，蓝色：电子耗尽层）。（b）光催化CO₂还原过程中Ni/SOM-ZIF-8的原位FTIR光谱。Ni/SOM-ZIF-8的光还原途径示意图（c）CO₂还原反应和（d）析氢反应。（所有建模配置均通过DFT计算进行了优化）。（e）SOM-ZIF-8和Ni/SOM-ZIF-8的析氢反应的吉布斯自由能对比图。（f）SOM-ZIF-8和（g）Ni/SOM-ZIF-8的CO₂还原为CO和析氢反应的吉布斯自由能对比图。（h）SOM-ZIF-8和Ni/SOM-ZIF-8将CO₂还原为CO的吉布斯自由能图。

为了更准确和深入的了解Zn、N、C和Ni原子之间的电子相互作用和电子结构，进行了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算。如图4 a所示，差分电荷计算显示N原子周围的电荷密度耗尽，Ni原子周围的电荷密度增加，表明电子从N原子迁移到Ni原子。尽管通过XAFS、原位XPS、DFT和对比实验确定了Ni SAs是光催化CO₂还原的活性位点，并解析了Ni SAs详细的结构信息和电荷分布，但是，Ni SAs与催化性能之间的关系仍然是未知的。探究Ni SAs如何影响光催化CO₂还原的性能和选择性对于人们加深对光催化CO₂还原过程的理解至关重要。因此，首先采用原位FTIR来揭示CO₂光还原过程中的中间体的演变路径（图4 b）。≈1455 cm^-1处的振动峰源自HCO₃^-基团，该基团由CO₂与溶剂中的羟基反应形成的。1360和1282 cm^-1处的吸收峰对应于单齿碳酸盐（m-CO₃^2-)和表面吸附的CO₂分子（*CO₂）。*COOH是生成CO产物的关键中间体，在CO₂气氛下光照后出现的1603和1659 cm^-1处的特征峰对应于*COOH，表明Ni SAs具有出色的CO₂分子活化和转化的能力。更重要的是，≈1933和≈2083 cm^-1的两个特征峰对应于*CO中间体，进一步证明Ni/SOM-ZIF-8具有良好的CO生成性能。基于原位FTIR光谱分析，Ni SAs上的光催化CO₂还原过程如下：首先，CO₂分子吸附在Ni SAs位点上，形成Ni-COO中间体（方程式1）。在光激发下，光生电子和质子转移到Ni-COO中间体上生成Ni-COOH中间体（方程式2）。Ni-CO中间体由Ni-COOH脱水反应形成（方程式3）。最后，*CO从Ni活性位点脱附，释放CO气体，Ni/SOM-ZIF-8光催化剂重新回到光催化剂的原始状态，重新暴露活性位点（方程式4）。

考虑到Ni/SOM-ZIF-8的光催化反应过程中对CO的高选择性以及有H₂的产生，根据DFT构筑的优化模型展示了Ni/SOM-ZIF-8表面上光催化CO₂还原和HER的反应路径（图4 c和d）。CO₂和H₂O在催化剂表面上的还原过程可分为两个不同的阶段：（Ⅰ）反应物在催化剂表面的吸附和活化（α1和β1），（Ⅱ）中间体的演变（α2和α3），最后是（Ⅲ）产物的脱吸（α4和β2）。如上所述，为了提高CO₂光还原的选择性，抑制阶段（Ⅰ）中H⁺在催化剂表面的吸附是必不可少的，因为HER反应会消耗光生电子并占据活性位点，从而降低CO₂光还原的效率和选择性。因此，对SOM-ZIF-8和Ni/SOM-ZIF-8的HER过程的吉布斯自由能进行了计算（图4 e）。计算结果表明H⁺在Ni/SOM-ZIF-8上的吸附是吸能过程，具有+0.5 eV的能垒，H⁺在SOM-ZIF-8上的吸附是放能过程（-0.7 eV），因此Ni SAs的引入抑制了H⁺在Ni/SOM-ZIF-8光催化剂表面上的吸附。此外，计算了CO₂分子在Ni/SOM-ZIF-8和SOM-ZIF-8催化剂表面的吸附能，通过计算结果发现SOM-ZIF-8催化剂表面吸附H⁺（-0.7 eV）比吸附CO₂分子（+0.3 eV）更容易（图4 f）。上述计算结果说明对于SOM-ZIF-8催化剂而言，在光催化CO₂还原的过程中H⁺会优先于CO₂分子占据表面的活性位点，从而限制CO₂分子与活性位点的接触导致H₂的高选择性。对于Ni/SOM-ZIF-8催化剂而言，虽然CO₂分子在Ni SAs上的吸附在热力学上不是自发的（+0.17 eV），但H⁺在Ni/SOM-ZIF-8催化剂上的吸附更为不利（+0.5 eV），说明在光催化CO₂还原的过程中CO₂会优先于分子H⁺占据表面的活性位点，这提高了CO₂光还原的性能（图4 g）。比较Ni/SOM-ZIF-8和SOM-ZIF-8这两种催化剂对H⁺和CO₂的吸附能表明，Ni SAs活性位点的存在通过提高H⁺的吸附能垒来抑制HER反应。此外，CO₂分子在Ni/SOM-ZIF-8上形成*CO₂中间体的吸附能垒低于SOM-ZIF-8，表明Ni SAs有利于CO₂分子的吸附，与CO₂-TPD的结果相吻合。阶段（Ⅱ）中中间体的演变是决定CO₂光还原效率的关键因素。图4 h描述了CO₂光还原为CO反应路径的吉布斯自由能。对于*CO₂转变为*COOH的质子和电子耦合过程，Ni/SOM-ZIF-8（+0.2 eV）比SOM-ZIF-8（+0.3 eV）更容易发生。值得注意的是，SOM-ZIF-8表面的*COOH到*CO的演化过程需要克服+1.1 eV的过渡能垒，但是在Ni/SOM-ZIF-8表面上是一个自发反应过程，进一步证明Ni SAs的引入有利于光催化CO₂还原。SOM-ZIF-8在光催化CO₂还原反应中的限速步骤是*COOH到*CO（+1.1 eV，α3），而Ni/SOM-ZIF-8在光催化CO₂还原反应中的限速步骤是*CO到CO气体（+0.8 eV，α4）,低于SOM-ZIF-8的限速步骤（图4 h）。吉布斯自由能的计算揭示了Ni/SOM-ZIF-8上Ni SAs的优势，不仅抑制了H⁺在Ni/SOM-ZIF-8表面的吸附，还降低了光催化CO₂还原过程中中间体的反应能垒，从而提高了CO₂光还原为CO的活性和选择性。

总结与展望

本工作证明了Ni单原子（SAs）和SOM-ZIF-8的有效结合可以抑制光催化CO₂还原反应体系外的竞争反应（HER），并促进催化反应中间体的演变。首先，ZIF-8中固有的微孔结构有利于CO₂分子的禁锢但是不利于气体的扩散，制备的Ni/SOM-ZIF-8中大孔的存在促进了CO₂分子在晶体结构内的扩散和富集。另外，结合PDOS计算结果证明，Ni SAs的引入有利于优化d带中心的位置，促进CO的生成。最后，通过吉布斯自由能的计算结果说明Ni SAs作为活性位点被引入不仅抑制了HER反应，而且还会优化CO₂光还原过程中中间体生成的过渡能垒。本研究说明构建过渡金属单原子耦合MOFs的光催化剂可以实现高效和选择性的光催化CO₂还原，该体系还为系统地研究光催化中的内在结构和催化性能的关系提供了可行的途径。

课题组介绍

吴仕群，华东理工大学博士后，合作导师为张金龙教授，研究方向为光催化材料的制备及其在气体小分子（CH₄、CO₂、N₂）转化中的应用。目前以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., ACS Catal., Chem. Eng. J, J. Photoch. Photobio. C等国际期刊发表SCI论文十余篇，IF>13的论文5篇，一篇入选ESI高被引论文。入选2022全国博士后创新人才支持计划、2021年上海市超级博士后，获得全国博士后创新创业大赛优胜奖、上海市优秀毕业生，2019年博士研究生国家奖学金、美国化学会研究生成就大赛三等奖，主持上海市启明星培育“扬帆专项”项目。

张金龙，2019年当选欧洲科学院院士（外籍）；华东理工大学“汇贤学者”讲席教授、二级教授；博士生导师。1993年在华东理工大学取得博士学位。同年加入华东理工大学精细化工研究所。1996-2000年在日本大阪府立大学从事博士后研究（JSPS），并于2000年晋生为教授，博士生导师。主要研究领域为：(1) 高效光催化材料的设计与制备及在环境污染控制和能源领域中的应用；（2）有机功能染料的设计和合成；已在Chem. Rev.; Chem. Soc. Rev.; Nat. Comm.; Chem.; J. Am. Chem. Soc.; Angew Chem Int Ed; Nano Lett.等国际一流杂志上发表SCI论文500余篇，被引用30000余次， H因子为96。已申请中国发明专利60余项。入选“ESI高被引论文”（世界前1%）30篇， “0.1%热点文章”9篇。连续7年入选Elsevier公布的2014，2015, 2016，2017, 2018, 2019和2020年度中国高被引学者，入选2018-2020年度科睿唯安“全球高被引科学家”（Highly Cited Researchers），国内全球学者库网站公布的“全球顶尖前10万科学家排名”中位列第3285位。获2017年度上海市自然科学奖一等奖；获2011年度工业和信息化部国防科学技术进步奖二等奖、2011年度中国核工业集团公司科学技术奖一等奖、 2008-2009 最高论文引用率奖、环境科学类杂志大陆最高引用率奖、并于2005年获得教育部提名国家科技二等奖，2005年度上海市科技进步三等奖。还获得了2001年度上海市第七届曙光学者称号，2004年度教育部新世纪优秀人才资助计划，2009年度上海市育才奖；2010年享受政府特殊津贴，2012年度上海市优秀学术带头人, 2012年度获上海市领军人才称号，江苏省“双创人才”称号，苏州“姑苏人才”称号。参加和承担了国家973项目，863项目，国家自然科学基金，科技部国际合作项目和上海市纳米项目等。张金龙教授积极参与社会公职，担任包括上海市稀土资源化利用重点实验室学术委员会主任，粒子输运与富集技术国防科技重点实验室第一届学术委员会委员，中国化工学会化工新材料专业委员会专家委员、教育部回国人员启动基金评审专家，教育部科技奖励评审专家，中国博士后科学基金评审专家；教育部博士点基金评审专家；日本大阪府立大学客座教授；国际杂志“Res. Chem. Intermed.”的副主编， “Scientific Reports”, “Applied Catalysis B: Enviromental”; “Dyes and Pigments”国际编委（2004-2011）；“Inter. J. Photoenergy”客座主编；“J.Nanotechnology”客座编辑；“影像科学与光化学”编委。The 13th Intermational Symposium on Eco-materials Processing and Design国际顾问委员和分会场主席；第六届国际环境催化会议组委会委员；任历届全国太阳能光化学与光催化会议组委会委员（2002-2020），第四届全国环境催化与环境材料学术会议学术委员会委员, 第五届介孔材料国际学术研讨会执委委员，上海市法院知识产权技术咨询专家，第五届东亚功能染料-先进材料学术会议学术委员会委员。