林璋團隊Angewandte Chemie：Ni MOFs單層納米片實現了低濃度CO2光催化還原，為工業廢氣中CO2的資源化利用提供新思路

【研究背景】

快速發展的現代工業帶來了大量含有CO₂的工業廢氣，造成了全球氣候變化等生態環境危機。利用光催化技術，在太陽能的驅動下直接將工業廢氣中含有的低濃度CO₂還原為化工原料或碳基燃料為工業廢氣資源利用和緩解全球氣候變化提供了一個有非常有潛力的解決途徑。然而，由于CO₂分子的高穩定性和復雜的多電子反應過程，高效高選擇性的CO₂光催化還原仍然是一個巨大挑戰，尤其是在低CO₂濃度的反應條件下。因此，實現低CO₂濃度條件下的高效高選擇性CO₂光催化還原具有重要意義。

【研究亮點】

1.實現了低濃度CO₂（10%，模擬工業廢氣中的CO₂含量）條件下高效高選擇性CO₂光催化還原。

2.確認了催化材料的CO₂吸附是整個反應過程的關鍵步驟。

3.驗證了鎳基MOFs對于低濃度CO₂光催化的高選擇性具有普遍的優越性。

【成果簡介】

有鑒于此，華南理工大學林璋教授課題組與福州大學徐藝軍教授課題組合作，發展了一種實現低濃度條件下高選擇性光催化CO₂制CO的單層Ni MOFs催化材料，該成果發表在Angewandte Chemie，并入選Very Important Paper (VIP)。本文的第一作者是韓彬，歐新文，通訊作者是林璋教授，通訊單位為華南理工大學(South China University of Technology)。

圖1. Ni MOF 單層納米片的制備方法及結構信息

研究人員通過超聲法結合水輔助冷凍干燥，成功制備了Ni MOFs單層納米片。作為對照，合成了堆疊的Ni MOFs納米材料，兩者具有相同的晶體結構。

圖2. Ni MOF 單層納米片的形貌表征

SEM和TEM表明所制備材料呈現明顯的二維納米片形貌。通過AFM對材料的厚度進行定量表征，確認所制備Ni MOFs的厚度為1.0納米左右，與單層Ni MOFs 的理論厚度相吻合。

圖3. Ni MOF 單層納米片的催化性能及機理研究

在純CO₂氛圍下，Ni MOFs單層納米片表現出97.8%的CO選擇性和2.2%的表觀量子效率(420 nm)。在低濃度CO₂(10%，模擬煙氣中的CO₂含量)條件下，Ni MOFs表現出96.8%的CO選擇性和1.98%的表觀量子效率(420 nm)。該效率不僅高于目前文獻報道的低濃度CO₂還原體系的效率，還超過了大部分在純CO₂氛圍下的催化體系的效率，即Ni MOFs單層納米片成功實現了低濃度下的高效高選擇性光催化CO₂還原。同構的Co MOFs在低濃度下幾乎沒有活性，說明在MOFs的金屬核心對于該催化體系具有重要作用。

實驗數據和DFT計算發現，Co MOFs較Ni MOFs具有更好的光生電子傳輸能力，更低的COOH*活化能壘，但Ni MOFs較Co MOFs有明顯更強的CO₂親和能和更弱的H₂O親和能。說明，CO₂的吸附是整個過程的關鍵步驟。

通過合成其它的Ni/Co MOFs, 證明了Ni MOFs在提高CO₂還原的選擇性方面有普遍的優越性。

【小結】

總之，這項研究為提高光催化CO₂還原的活性和選擇性提供了新思路，為實現低濃度CO₂還原和廢氣資源化利用指引了新方向。

參考文獻

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

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

作者簡介

林璋，華南理工大學教授、博士生導師、長江學者、國家杰青、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、科技部中青年科技創新領軍人才、百千萬人才工程國家級人選、廣東省環境納米材料工程技術研究中心主任、環境與能源學院副院長。Elsevier 期刊Surfaces and Interface 主編，RSC期刊Environ. Sci.: Nano副主編。五年來承擔國家杰青、科技部973、基金委重點、中科院先導A、廣東省“珠江人才計劃”團隊項目等重要科研任務十多項。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、ES&T等期刊共發表SCI論文170多篇，其中4篇入選ESI高被引論文。近五年獲授權發明專利23件，其中PCT專利7件；獲多項省部級科技獎勵，為多個專業委員會委員、期刊編委。

課題組網頁:?http://linzhang-group.com/

本文由華南理工大學林璋教授課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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