【COF-TzBpy】在乙烯基连接的二维共价有机框架中构建直接层间电荷传输通道以实现高效光催化二氧化碳还原

首页 > 行业动态 > 【COF-TzBpy】在乙烯基连接的二维共价有机框架中构建直接层间电荷传输通道以实现高效光催化二氧化碳还原

天津工业大学黄宏亮老师研究团队报道的本篇文章（Applied Catalysis B: Environment and Energy 2025, 372, 125299）中研究了通过钴单原子锁定完全共轭乙烯基 COF 的相邻层，构建直接层间电荷传输通道，促进光催化 CO₂还原。所制备的 Co-SACs@COF-TzBpy 在光催化 CO₂还原反应中，CO 产率高达 8101 μmol g⁻¹ h⁻¹ ，约为原始 COF-TzBpy 的 37 倍，且 CO 选择性保持在 97.4%。实验和理论计算表明，单钴位点的空间锁定结构使相邻层的电子能同时流向钴位点，避免了传统单原子催化剂近平面配位结构中光生载流子易复合的缺点。机理分析显示，锚定的 Co-SACs 通过锁定相邻层建立了高效电子转移通道，促进了 CO₂的活化并降低了反应能垒。

研究背景
1.行业问题：将 CO₂转化为高价值燃料和化学品可缓解全球变暖和能源危机，但 CO₂分子惰性大，光催化 CO₂还原过程复杂，难以实现令人满意的转化率和选择性。传统二维半导体光催化剂依靠 π-π 堆积和范德华力进行电子传输，受空间位阻和势垒限制，光催化转换效率低。多数基于 COF 的单原子催化剂呈近平面配位结构，电子只能从单层传输到单原子位点，反应动力学慢，载流子复合严重，层间电荷转移效率低。
2.研究现状：单原子催化剂负载在二维材料上用于 CO₂还原受到广泛关注，COF 负载的单原子催化剂因明确的单原子活性位点和可设计的微环境而受重视，但典型的亚胺键连接的 COF 化学稳定性差，不利于电子转移。
3.本文创新：首次制备由 Co-N₄位点锚定的人工光催化体系，通过钴单原子锁定相邻层构建直接层间电荷传输通道，克服传统单原子催化剂的缺点，显著提升光催化 CO₂还原性能。

实验和分析
1.材料合成与表征：采用有机通量法合成 COF-TzBpy，通过 PXRD、FT-IR、固态 ¹³C NMR 等表征证明其成功合成和结构特征，该材料具有高结晶度、高比表面积（726 m² g⁻¹ ）、微孔（1.02nm）、良好的热稳定性和化学稳定性。通过溶剂热法将单钴原子锚定在 COF-TzBpy 上制备 Co-SACs@COF-TzBpy，多种表征手段证明钴以单原子形式分散，且未改变 COF-TzBpy 晶体结构。
2.应用性能测试：Co-SACs@COF-TzBpy 在光催化 CO₂还原实验中，CO 生成速率为 8101 μmol g⁻¹ h⁻¹ ，选择性达 97.4%，远超多数已报道的 COF 基催化剂，且循环稳定性优异。
3.性能原因分析：稳态光致发光光谱、EPR 光谱、DFT 计算等表明，电子传输路径为激发态的 [Ru (bpy)₃]²⁺→COF-TzBpy→Co→CO₂。Co-SACs@COF-TzBpy 对 CO₂的吸附能更低，形成 * COOH 的反应能垒显著降低，促进了 CO₂的活化和转化。

总结
1.成功制备 Co-SACs@COF-TzBpy，在光催化 CO₂还原反应中展现出高 CO 产率和选择性，循环稳定性良好。
2.构建直接层间电荷传输通道，克服传统单原子催化剂的不足，提升光催化性能。
3.为设计高性能光催化剂提供新视角，有望推动光催化 CO₂还原领域的发展。

Creating direct interlayer charge transport channels in vinyl-linked 2D covalent organic framework for efficient photocatalytic CO₂ reduction
文章作者：Wenqiang Wang, Xinru Zhang, Guhao Lv, Tongan Yan, Jian Li, Hongliang Huang
DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125299
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337325002826

本文为科研用户原创分享用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。