《Materials Today》刊发化学与化工学院王靖宇教授课题组光催化二氧化碳还原综述

2025年1月3日，华中科技大学王靖宇教授课题组在国际著名材料期刊《Materials Today》发表题为“Rational design of metal-organic framework based photocatalysts correlated with specific additives for driving gas-liquid-solid CO₂ reduction（金属有机框架基光催化剂结构设计关联CO₂还原助剂选择）”的论文。论文第一作者为华中科技大学硕士生何慧杰与牛津大学交流学生翟威凯，王靖宇教授为论文通讯作者。

光催化二氧化碳转化为高附加值产物在缓解温室效应和解决能源危机方面备受关注。金属有机框架（MOFs）等晶态多孔材料，因高孔隙率、高比表面积和结构可调等优点，在光催化还原二氧化碳领域得到了广泛应用。气-液-固相反应体系由于反应温度接近室温、催化剂易于分散等优点，适用于这类含有机基团的MOFs光催化剂。不同于气-固模式下CO₂直接与水蒸气反应，气-液-固相反应体系相对复杂，涉及多种多样的添加剂（如光敏剂和牺牲剂），其选择很大程度上取决于催化剂的结构设计。然而，目前尚无综述专门聚焦气-液-固相反应体系下MOF基材料光催化CO₂还原。因此，本文针对MOF基光催化剂的结构合理设计与驱动气-液-固相CO₂还原所需的特定添加剂之间的联系，对相关研究进展进行综述。

本文首先概述了光催化CO₂还原的基本原理，反应路径及产物检测方法，接着对近年来新兴的MOFs结构进行分类。从传统三维MOFs出发，衍生至显著改善活性位点和电子转移效率的二维MOFs，进一步发展至MOFs与金属纳米颗粒或半导体复合的催化剂，以提高光生载流子的分离效率。MOF基光催化剂表面CO₂还原反应的主要过程包括催化剂吸收光被激发、光生载流子迁移至催化剂表面、电子参与CO₂还原并伴随空穴消耗。由于MOFs材料普遍具有较宽的带隙、吸光性能较差，因此反应中需要加入钌、铱配合物等光敏剂来增强催化剂对可见光的响应。另一方面，氧化还原反应过程遵循电荷守恒原则，MOFs材料的光生载流子分离效率较低，需要通过加入匹配的牺牲剂消耗表面光生空穴，从而使CO₂还原反应可以持续进行。针对气-液-固相二氧化碳还原体系的上述问题，研究者们通过对MOFs结构的合理设计，如将捕光单元接枝到MOF框架，可有效吸收可见光从而避免额外添加光敏剂，如果进一步在MOF框架中同时整合氧化和还原位点，则能实现光生载流子的高效分离而无需外加牺牲剂，以构建绿色可持续的二氧化碳还原与水氧化全反应。因此本文根据气-液-固相CO₂还原的反应条件，围绕光敏剂与牺牲剂共存、仅添加牺牲剂、全反应三种条件，从晶体结构、模块构筑、光敏单元等方面分析了MOF基光催化剂的结构设计策略，建立MOF基光催化剂结构与反应体系之间的联系，并阐明了与催化性能对应的“构-效关系”。

最后本文对MOF基光催化剂用于气-液-固相光催化还原CO₂过程中面临的挑战、机遇和前景进行了展望：（1）根据软硬酸碱理论选择电荷密度高的高价金属离子如Zr⁴⁺，Ti⁴⁺形成结构稳定的MOFs，引入助催化剂和构建异质结，促进光生载流子分离从而提高结构稳定性。（2）开发更加高效的MOF基催化剂，以实现CO₂还原与有机合成的协同反应并获得高附加值产物。（3）合理设计催化位点以提升多碳产物的选择性。综上，本文基于MOF基光催化剂的结构合理设计与驱动气-液-固相二氧化碳还原所需的特定添加剂之间的联系，系统总结了相关研究的最新进展，并就目前所面临的挑战及发展前景提出展望，为未来设计开发更加绿色、高效的MOF基光催化剂提供参考。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.12.019