【COF光催化】：拓扑量子材料-共价有机框架纳米异质结构用于可控的光催化CO2还原制合成气

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摘要：
贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心Prof. Kanishka Biswas& Prof. Tapas Kumar Maji等报道的本篇文章中（Angew. Chem.Int. Ed.2024,e202315596）报道了一种独特的COF-拓扑量子材料纳米异质结构，COF@TI，其中包括新合成的供体-受体型COF和二维强拓扑绝缘体(PbBi2Te4)纳米片。TI的金属表面作为电子库，减少了快速电子-空穴复合过程，Pb2+和Bi3+中6s2孤对的存在有助于有效的CO2结合，这些都有助于提高整体催化活性。在乙腈-水(MeCN:H2O)溶剂混合物的不同比例下，COF@TI产生了不同比例的CO和H2的合成气体。COF@TI纳米异质结构使得比原始COF更多、更可控的CO和H2比例的合成气体。通过Kelvin探针力显微镜(KPFM)分析、电荷密度差异计算、激发态寿命和光电化学测量实现了从COF到TI的电子传输路径。最后，通过原位DRIFTS研究和DFT计算建立了一个可能的催化路径，通过识别催化活性位点和反应中间体。

研究背景：
全球能源和环境问题需要有效的太阳能驱动合成气体生产的新方法。CO是CO2还原产物中动力学上最有利的，合成气体有不同的CO：H2比例用于不同化学品的生产。COF是一类引人注目的多孔有机聚合物，具有很多优点，如显著的结晶性、周期结构的可调性、高孔隙度，以及二维或三维的广泛π-共轭。拓扑绝缘体是一类有前途的材料，具有奇异的电子和声子能带结构。

实验部分：
1）合成新的COF和TI，制备COF@TI纳米异质结构。
2）对COF和COF@TI进行PXRD、FTIR、NMR等表征，研究其热稳定性和化学稳定性。
3）测定N2吸附-脱附曲线，得到比表面积，分析孔径分布。
4）采用KPFM、TRPL、EIS等技术研究电子传输过程，评估光催化活性。
5）利用DFT计算探索CO2还原反应机理，验证实验结果。

分析测试：
1）COF和COF@TI的比表面积分别为1273 m2/g和981 m2/g，表明COF@TI的孔隙度略低。
2）通过KPFM和DFT计算，验证了COF到TI的光激发电子传输路径。
3）TRPL和EIS研究表明COF@TI比COF具有更好的光催化活性。
4）DRIFTS实验揭示了在光催化过程中形成的反应中间体。

总结：
1）COF@TI纳米异质结构在太阳能驱动下具有优越的光催化性能，产生可控比例的合成气体。
2）通过实验和理论研究，揭示了COF和TI之间的电子传输机制和CO2还原反应的催化机理。
3）COF@TI的研究为光催化CO2还原提供了新思路和解决方案。

展望：
1）进一步优化COF@TI的催化性能，提高CO2还原反应的效率和选择性。
2）可以探索更多的拓扑量子材料和COF的组合，寻找更高效的光催化体系。进一步研究光催化反应机理，为新型光催化剂的设计和开发提供更多的参考。

COF-Topological Quantum Material Nano-heterostructure for CO2 to Syngas Production under Visible Light
文章作者：Anupam Dey, Jayita Pradhan, Sandip Biswas, Faruk Ahamed Rahimi, Prof. Kanishka Biswas, Prof. Tapas Kumar Maji
DOI：10.1002/anie.202315596
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202315596