武汉大学汪成团队在共价有机框架光催化CO₂还原领域取得新进展

（通讯员化苑）近日，《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）发表化学与分子科学学院教授汪成团队的最新研究成果，系统揭示了三维共价有机框架孔道环境对光催化CO₂还原性能的影响。论文题为《定制化金属卟啉基三维共价有机框架用于增强光催化CO₂还原》（“Tailored Metalloporphyrin-based Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Enhanced Photocatalytic CO₂ Reduction”。武汉大学博士研究生何明慧、中国科学院理化技术研究所博士研究生王瑶和北京科技大学马源博士为论文共同第一作者，汪成、中国科学院理化技术研究所吴骊珠院士、李旭兵研究员和北京大学孙俊良教授为共同通讯作者。

光催化CO₂还原技术利用太阳能将二氧化碳转化为燃料和高附加值化学品，不仅是人工光合作用研究的核心内容，也被认为是实现碳中和目标的重要途径之一。然而，该技术目前仍面临诸多挑战，亟须开发高效新型光催化剂。共价有机框架（COF）是一种新型晶态有机多孔材料，具有结构可调、孔隙率高和稳定性优异等特点，在光催化CO₂还原领域展现出巨大潜力。其中，三维COF具有较高比表面积、贯通孔道结构和丰富开放活性位点，是进一步提升光催化CO₂还原性能并揭示构效关系的理想模型催化剂。但由于三维COF合成和结构表征面临挑战，其孔道环境（如催化中心和孔径）对光催化性能的影响，尚未有系统研究。

本文中，他们首先基于课题组前期工作，构筑了一系列同构金属卟啉基三维COF（3D-MPor-COF，M = Co，Ni，Pt）。光催化CO₂还原结果表明，卟啉中不同金属中心显著影响光催化性能，其中3D-CoPor-COF性能最优，CO生成速率为11.3 mmolg⁻¹h⁻¹（选择性91.9%）。进一步，他们通过延长构筑单元，定向构筑了孔径更大的3D-CoPor-Ph-COF，使CO生成速率提升至20.7 mmol g-1h-1（选择性95.4%）。机理研究表明，孔径增大显著提升了传质速度与扩散效率，使溶剂（特别是水）和CO₂能够更顺畅地抵达催化中心，进而加速催化还原进程，提升光催化效率。该研究不仅证实了孔道环境调控在三维COF光催化中的重要性，还为三维COF构效关系研究提供了重要启示，为进一步拓展其应用奠定了理论基础。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金及学校科研公共服务条件平台的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c17816

（供图：化学与分子科学学院 编辑：赵冀帆）