近日，熊猫体育環境科學與工程學院劉洋副教授等在《自然》子刊Nature Communications在線發表了題為“二維納米片組裝三維有序大孔結構光催化CO₂還原”（Engineering the electron localization of metal sites on nanosheets assembled periodic macropores for CO₂ photoreduction）的重大研究成果。研究利用原位相變過程將電子定域能力可調變的Co中心定向組裝在兼具二維納米片和三維有序大孔超結構骨架上 (3DOM-NS) 上，突破現有光催化CO₂轉化體系仍面臨活性低和選擇性差等關鍵問題，為解決化石燃料的過度消耗和溫室氣體二氧化碳的排放造成了的嚴峻的環境問題和能源危機提供了科學依據，也為我國先端環保技術發展提供了理論支撐。

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化石燃料的過度消耗和溫室氣體二氧化碳的排放造成了嚴峻的環境問題和能源危機。利用太陽能作為驅動力，將CO₂直接光化學轉化為高值燃料或化學品 (如CO等) 被認為是緩解上述問題的有效途徑之一。然而，由於光生載流子遷移速率緩慢及催化位點與中間體之間的親和力難以調控，現有光催化CO₂轉化體系仍面臨活性低和選擇性差等關鍵問題。

針對該挑戰，熊猫体育劉洋副教授等研究者在三維有序大孔框架上定向組裝具有可調電子定域能力的Co活性位點，並將其應用於光催化CO₂還原反應。研究首先利用“雙溶劑法”在聚苯乙烯陣列中誘導ZIF-67單晶生長，去除模板後製備得到三維有序大孔ZIF-67 (SOM ZIF-67)。隨後通過原位溶劑熱轉化策略將SOM ZIF-67轉化為具有二維超薄Co (OH)₂納米片次級單元的三維有序大孔框架(3DOM Co-OHNS)。為了探索二維納米片的演化過程👩‍🚒，對該相變過程進行了AIMD模擬計算，結果表明在SOM ZIF-67向3DOM Co-OHNS轉化過程，水分子優先攻擊ZIF的Co-N鍵並導致其斷裂🧓🏼👱🏼，隨後質子與氫氧根分別與Co和咪唑環發生作用⚽️，原位產生Co-OH結構。

通過轉化條件的調變結合後處理方法🧑‍🔧，製備Co基3DOM-NS催化劑應用於光催化CO₂轉化反應。研究結果表明🤽🏽‍♂️，合成Co基3DOM-NS在光催化CO₂轉化反應中均展現出優異的性能，其中硫化物納米片(3DOM Co-SNS) 在實驗室光源和自然光照下的體系中🍉，合成氣的產率分別高達347.3 μmol h^-1與1150.7 μmol h^-1。同時該催化體系可以在無犧牲劑輔助下，實現光催化CO₂還原耦合生物質醇氧化反應，在生成合成氣的同時🦐，獲得高附加值醛/C-C偶聯產物🏊🏼‍♂️。

這項研究提出的方法具有可控性及普適性🤙，可通過簡單地改變Co位點周圍的配位環境，實現對活性位點電子定域能力的調控，為光催化劑的理性設計及製備提供了一個新視角🎛。

圖1. 3DOM Co-SNS光催化機理研究 (Ⅰ)

圖2. 3DOM Co-SNS光催化機理研究 (Ⅱ)

第一作者介紹

劉洋，熊猫体育副教授。主要從事催化材料的應用基礎研究。以第一/主要作者身份在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.等化學化工主流期刊上發表SCI論文多篇。

撰稿Ⓜ️：馬寅     審稿🧑🏽‍⚕️：孫建騰      審核：王素華      簽發🤳🏿：譚輝