第一作者：韩彬，欧新文

通讯作者：林璋

通讯单位：华南理工大学

研究亮点：

1.实现了低浓度CO₂（10%，模拟工业废气中的CO₂含量）条件下高效高选择性CO₂光催化还原。

2.确认了催化材料的CO₂吸附是整个反应过程的关键步骤。

3.验证了镍基MOFs对于低浓度CO₂光催化的高选择性具有普遍的优越性。

研究背景

快速发展的现代工业带来了大量含有CO₂的工业废气，造成了全球气候变化等生态环境危机。利用光催化技术，在太阳能的驱动下直接将工业废气中含有的低浓度CO₂还原为化工原料或碳基燃料为工业废气资源利用和缓解全球气候变化提供了一个有非常有潜力的解决途径。然而，由于CO₂分子的高稳定性和复杂的多电子反应过程，高效高选择性的CO₂光催化还原仍然是一个巨大挑战，尤其是在低CO₂浓度的反应条件下。因此，实现低CO₂浓度条件下的高效高选择性CO₂光催化还原具有重要意义。

成果简介

有鉴于此，华南理工大学林璋教授课题组与福州大学徐艺军教授课题组合作，发展了一种实现低浓度条件下高选择性光催化CO₂制CO的单层Ni MOFs催化材料。

该成果发表在Angewandte Chemie，并入选Very Important Paper (VIP)。

图1. Ni MOF 单层纳米片的制备方法及结构信息

研究人员通过超声法结合水辅助冷冻干燥，成功制备了Ni MOFs单层纳米片。作为对照，合成了堆叠的Ni MOFs纳米材料，两者具有相同的晶体结构。

图2. Ni MOF 单层纳米片的形貌表征

SEM和TEM表明所制备材料呈现明显的二维纳米片形貌。通过AFM对材料的厚度进行定量表征，确认所制备Ni MOFs的厚度为1.0纳米左右，与单层Ni MOFs 的理论厚度相吻合。

图3. Ni MOF 单层纳米片的催化性能及机理研究

在纯CO₂氛围下，Ni MOFs单层纳米片表现出97.8%的CO选择性和2.2%的表观量子效率(420 nm)。在低浓度CO₂(10%，模拟烟气中的CO₂含量)条件下，Ni MOFs表现出96.8%的CO选择性和1.98%的表观量子效率(420 nm)。该效率不仅高于目前文献报道的低浓度CO₂还原体系的效率，还超过了大部分在纯CO₂氛围下的催化体系的效率，即Ni MOFs单层纳米片成功实现了低浓度下的高效高选择性光催化CO₂还原。同构的Co MOFs在低浓度下几乎没有活性，说明在MOFs的金属核心对于该催化体系具有重要作用。

实验数据和DFT计算发现，Co MOFs较NiMOFs具有更好的光生电子传输能力，更低的COOH*活化能垒，但Ni MOFs较Co MOFs有明显更强的CO₂亲和能和更弱的H₂O亲和能。说明，CO₂的吸附是整个过程的关键步骤。

通过合成其它的Ni/Co MOFs, 证明了Ni MOFs在提高CO₂还原的选择性方面有普遍的优越性。

小结

总之，这项研究为提高光催化CO₂还原的活性和选择性提供了新思路，为实现低浓度CO₂还原和废气资源化利用指引了新方向。

参考文献

Bin Han⁺, Xinwen Ou⁺,Ziqi Deng, Yao Song, Chen Tian, Hong Deng, Yi-Jun Xu, Zhang Lin,* Ni Metal-Organic FrameworksMonolayers for Photoreduction of Diluted CO₂: Metal Nodes-DependentActivity and Selectivity,Angewandte Chemie 2018,10.1002/ange.201811545 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201811545?af=R

作者简介

林璋，华南理工大学教授、博士生导师、长江学者、国家杰青、国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、百千万人才工程国家级人选、广东省环境纳米材料工程技术研究中心主任、环境与能源学院副院长。Elsevier 期刊Surfaces and Interface 主编，RSC期刊Environ.Sci.: Nano副主编。五年来承担国家杰青、科技部973、基金委重点、中科院先导A、广东省“珠江人才计划”团队项目等重要科研任务十多项。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、ES&T等期刊共发表SCI论文170多篇，其中4篇入选ESI高被引论文。近五年获授权发明专利23件，其中PCT专利7件；获多项省部级科技奖励，为多个专业委员会委员、期刊编委。课题组网页: http://linzhang-group.com/