我院兰亚乾教授团队在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表重要研究成果

 

近日，我校太阳成集团tyc122cc兰亚乾教授团队光催化二氧化碳还原（CO₂RR）和水氧化（WOR）全反应领域取得了重要研究进展，相关成果在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表题为“Linking Oxidative and Reductive Clusters to Prepare Crystalline Porous Catalysts for Photocatalytic CO₂ reduction with H₂O”的研究论文（Nature Communications, 13, 4681, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32449-z）。我校是该论文的第一完成单位，论文第一作者为我校太阳成集团tyc122cc英才博士后周杰，共同一作为我校2021级研究生李洁，通讯作者是兰亚乾教授和严勇博士。该研究受到了国家自然科学基金等项目的支持。

利用太阳能将二氧化碳（CO₂）转化为可再生燃料，被认为是降低CO₂浓度和解决能源短缺最有希望的策略之一。然而，快速的载流子重组无法同时满足克服CO₂分子的高化学惰性和水氧化缓慢的动力学是光催化二氧化碳还原全反应的主要挑战。目前，很多无机半导体材料、异质结被广泛的研究和报道，证实了铸造两个或多个具有快速电子转移和相互作用的催化剂可能是光催化二氧化碳还原和水氧化偶联的有效策略。但这些策略通常受到繁琐的合成程序并失去原子尺度控制的限制，导致了活性中心和电子路径的模糊，严重阻碍了对CO₂RR在原子层面的认识，很难探究反应机理。因此，利用共价有机骨架（COF）的合成策略将金属有机框架（MOF）或者金属团簇定向重铸，制备异金属氧化还原簇的晶态骨架材料。这种MOF∪COF协作，可以在保留了簇或配合物本征特性的基础上，实现功能的多样化。

该工作中，研究人员精心设计并制备了基于共价有机框架策略的晶态异金属团簇催化剂MCOF-Ti₆Cu₃，有效耦合光催化CO₂RR和水氧化，实现全反应。 该工作以一种相对温和的动态共价键的方式将具有氧化能力的Ti簇和具有还原能力的Cu簇定向组装，使簇与簇之间既有快速的电子传递，产生协同作用；又不会破坏簇的本征结构，保留簇的氧化还原性。该催化剂具有空间分离和功能协作的的作用，可以剥离成超薄二维纳米片，暴露大量活性位点，在仅有水和模拟太阳光条件下表现出优越的光催化活性，高效生产HCOOH。作者利用XPS和原位XPS测试证实了异金属团簇结构MCOF-Ti₆Cu₃中的电子转移，在光激发的条件下电子流向Cu，能够在Cu簇发生还原反应，Ti簇上发生氧化反应，这与预设计的结果一致。并进一步通过原位红外和DFT计算解释了中间体和反应机制。总之，该研究结果有助于阐明晶态材料在CO₂RR和WOR的光催化整体反应领域的反应机理，为二氧化碳装化光催化剂的选择和制备提供了新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32449-z

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