【综述】金属有机框架材料用于光催化水分解及CO2还原- 大数跨境

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2023-02-12

导读：中国科学技术大学江海龙教授课题组针对MOFs在光催化水分解与CO2还原领域的进展，及相关表征手段进行了综述；同时，对MOFs的类半导体特性，及MOFs光催化研究中的问题与未来发展进行了讨论。

光催化水分解与CO₂还原被认为是一条缓解能源危机与实现碳中和的有效途径，其中光催化剂是实现高效光催化的关键。金属有机框架（MOFs）材料是一类由金属节点与有机配体形成的晶态多孔材料，其结构具有高度的可修饰性、可裁剪性。近年来，MOFs作为一种新型光催化剂，在水分解与CO₂还原的研究中展现出独特的优势，尤其是其明确的晶态结构为光催化过程中的构效关系研究创造了便利。基于此，中国科学技术大学江海龙教授课题组针对MOFs在光催化水分解与CO₂还原领域的进展，及相关表征手段进行了综述；同时，对MOFs的类半导体特性，及MOFs光催化研究中的问题与未来发展进行了讨论。

MOFs是半导体还是分子催化剂一直是一个充满争议的话题。从定义来看，MOFs的电阻率一般遵循Van’t-Hoff’s law，符合IUPAC对半导体的定义；同时实验结果也证明MOFs确实具有半导体的电荷转移与能带弯曲行为（图1）。但MOFs中的电荷转移方式（如LMCT过程）又证明MOFs的HOMO与LUMO分布位于配体与金属节点，呈现高度的局域特性，这又是分子催化剂的特性。此外，对MOFs的电荷转移研究中还存在极少数理论与实验不符的情况；例如，理论计算表明UiO-66的HOMO与LUMO都位于有机配体，理论上应该发生LLCT的电荷转移，但EPR等实验又证明UiO-66中的电荷转移是一个LMCT过程。综合来说，MOFs作为一种新型的光催化材料，兼具传统半导体与分子催化剂的特性与优势，但同时又存在一些理论上的不确定性需要解决。

图1. MOFs能带弯曲特性的实验证据

在MOFs光催化水分解部分，作者首先阐述了水分解的基本原理，然后对MOFs用于水分解制氢、产氧及全水分解三方面的工作进行了总结。产氢部分，首先围绕MOFs的配体调控，着重介绍了MOFs中配体分布对光催化性能的影响；及配体取代基对MOFs光催化过程中的电荷分离效果及载流子寿命的影响。然后总结了MOFs中催化位点调控对产氢的影响，介绍了Pt的尺寸与界面状态对产氢活性的影响；接着总结了非贵金属，及MOFs自身提供活性位在水分解制氢方面的代表性工作（图2）。在MOFs水分解产氧，及全水分解中，作者主要围绕着目前在相关反应中，如何对MOF基催化剂进行设计的相关工作进行了总结。

图2. MOFs中非贵金属作为产氢活性位的代表性工作

在光催化CO₂还原部分，作者对MOFs在CO₂还原的半反应及全反应研究中取得的相关进展进行了总结。在半反应部分，作者首先介绍了牺牲剂存在条件下的2电子还原过程，突出了MOFs与传统无机半导体和均相催化剂相比，在促进电荷转移、降低光敏剂用量、调控反应选择性、探究反应机理等方面的优势（图3）。基于MOFs易于修饰，方便集成各类组分的特点，在2电子还原的基础上，作者介绍了MOFs在CO₂多电子光还原，对CO等常见2电子还原产物进行串联转化，及在低浓度CO₂还原等方面的进展。在无牺牲剂的全反应研究中，作者针对目前实现MOFs光催化CO₂全反应的不同催化模式，总结了在气固相条件，及液相催化条件下的相关进展。

图3. MOFs在研究光催化CO₂还原机理方面的代表性工作

MOFs明确的晶态结构，为研究光催化过程中的构效关系提供了便利。因此作者从每种表征手段的基本原理出发，对目前几种典型的用于MOFs光催化机制研究的先进表征手段进行了总结。作者主要总结了飞秒瞬态吸收光谱 (fs-TAS) 用于揭示MOFs光催化电荷转移过程；原位x射线吸收谱（XAS）与fs-TAS联用确定光生电子的定向转移（图4）；开尔文探针力显微镜（KPFM）用于显示MOFs中光生电荷的空间分布；漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）用于捕获光催化CO₂还原过程中反应中间体；电子顺磁共振谱（EPR）用于确定电荷转移及光催化剂组分间的相互作用；及原位x射线光电子能谱（XPS）用于确定z系电荷转移过程等方面的研究。

图4. XAS与fs-TAS联用揭示MOF中电子定向转移的研究

最后一部分，作者对目前MOFs光催化研究中存在的问题进行了阐述，如MOFs用于全水分解的有关研究，还缺少指导性的方法；MOFs在光照条件下的稳定性；及CO₂同位素标记假活性等问题进行了强调；同时对MOFs如何在光催化研究中发挥自身的优势进行了讨论，如发挥大数据及AI在MOFs结构设计方面的优势；利用MOFs提高对红外光的利用率，促进光催化反应等。

该综述近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者是中国科学技术大学博士研究生孙康。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Metal-Organic Frameworks for Photocatalytic Water Splitting and CO₂ Reduction

Kang Sun, Yunyang Qian, Hai-Long Jiang

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202217565

导师介绍

江海龙，1981年8月生于安徽合肥庐江县。中国科学技术大学讲席教授、博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家（2021年），英国皇家化学会会士（FRSC，2018年），获国家杰出青年基金资助（2017年,结题优秀），入选第四批国家“万人计划”科技创新领军人才（2019年）、科技部中青年科技创新领军人才（2018年）等。自2017年至今，连续每年入选科睿唯安（原汤森路透）全球高被引科学家（化学）和爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者榜单。

2003年7月于安徽师范大学获化学学士学位；2008年7月于中国科学院福建物质结构研究所获无机化学博士学位。2008年8月至2011年8月在日本国立产业技术综合研究所工作，分别任产综研特别研究员和日本学术振兴会外国人特别研究员（JSPS fellow）；2011年9月至2013年1月在美国德克萨斯农工大学从事博士后研究。2013年初入职中国科学技术大学化学系（现任系执行主任），担任教授、博士生导师。2017年获得中国科大海外校友基金会青年教师事业奖，2018年获得卢嘉锡优秀导师奖、太阳能光化学与光催化研究领域优秀青年奖，2019年获得中国科学院优秀导师奖，2022年入选安徽省优秀青年科技人才。

长期从事无机化学、材料化学和催化化学的交叉性研究工作，特别是以金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs)等晶态多孔功能材料为研究平台，围绕催化中心微环境的化学调控方面开展了较为系统的研究工作，部分研究成果获2020年度教育部自然科学一等奖（第一完成人）。研究结果已在国际重要SCI期刊上发表论文190余篇，其中2013年回国建立课题组独立工作以来，以通讯作者身份在Nat. Catal.（1篇），J. Am. Chem. Soc.（14篇），Angew. Chem.（20篇），Chem（4篇），Nat. Commun.（2篇），Adv. Mater.（10篇），Natl. Sci. Rev.（2篇），Matter（1篇），Acc. Chem. Res.（1篇），Acc. Mater. Res.（1篇），Chem. Rev.（1篇），Chem. Soc. Rev.（2篇），Coord. Chem. Rev.（4篇），Mater. Today（1篇）等高水平期刊上发表论文。论文被引用38000次以上（H指数：99），篇均引用近200次，其中65篇入选ESI高被引论文（Highly Cited Papers, Top 1%）。授权中国专利5项。撰写书章两章。担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、中国化学会分子筛专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员、天津市能源材料化学重点实验室学术委员会委员等；担任EnergyChem（Elsevier）、Sci. Bull.、催化学报、中国化学快报、化学学报、Scientific Reports（NPG）、Z. Anorg. Allg. Chem. (WILEY-VCH)、Materials（MDPI）、无机化学学报、化学通报、中国科学技术大学学报等期刊编委和顾问委员会委员。承担基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等多项重要科研任务。

江海龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/14775

课题组链接

http://mof.ustc.edu.cn/