《文章投稿》超薄共價三嗪框架納米片上的突出形鈷單原子極化場實現(xiàn)高效光催化二氧化碳還原的研究

1. 文章信息

標題： Protruding-Shaped Co Polarization Field on Ultrathin Covalent Triazine Framework Nanosheets for Efficient CO2 Photoreduction  

中文標題： 超薄共價三嗪框架納米片上的突出形鈷單原子極化場實現(xiàn)高效光催化二氧化碳還原的研究  

頁碼： 2401619    

DOI： 10.1002/aenm.202401619

2. 文章鏈接

   https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202401619  

3. 期刊信息

期刊名：  Advanced Energy Materials

ISSN：  1614-6832

2021年影響因子：  27.8  

分區(qū)信息： 一區(qū)   

涉及研究方向： 光催化CO2還原  

4. 作者信息：第一作者是 馬志學(xué) 。通訊作者為    Yuxi Xu       。

5. 正文中標記產(chǎn)品所在位置截圖

6. 文章簡介：

研究背景：隨著全球氣候變化和能源危機的日益嚴峻，尋找可持續(xù)的能源解決方案變得尤為迫切。其中，利用太陽能將二氧化碳（CO₂）轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品和燃料，尤其是一氧化碳（CO），因其在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛用途而備受關(guān)注。然而，CO₂分子的惰性以及其C═O鍵的高解離能（806 kJ/mol），使得高效和選擇性的CO₂轉(zhuǎn)化ji 具挑戰(zhàn)性。為了解決這一問題，科學(xué)家們一直在探索各種半導(dǎo)體基光催化劑，以期提高CO₂轉(zhuǎn)化效率。近年來，晶體多孔有機材料因其光吸收范圍廣、結(jié)構(gòu)規(guī)則性高、可設(shè)計性好以及對小分子的強吸附能力而成為光催化領(lǐng)域的一個有趣平臺。特別是，通過堅固的芳香三嗪鍵合構(gòu)建的晶體共價三嗪框架（CTFs），因其豐富的氮含量高孔隙度、二維共軛結(jié)構(gòu)和高結(jié)晶度，以及出色的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，而在光催化CO2還原中顯示出巨大潛力。盡管如此，大多數(shù)現(xiàn)有的單原子光催化劑（SAPs）由于金屬原子近平面的配位結(jié)構(gòu)和局部極化電場弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率不高。因此，設(shè)計具有高極化場的新型光催化劑，以增強光生電荷的分離和CO₂的活化，成為了一個重要但尚未報道的挑戰(zhàn)。

近日，西湖大學(xué)徐宇曦課題組在Advanced Energy Materials上發(fā)表題為“Protruding-Shaped Co Polarization Field on Ultrathin Covalent Triazine Framework Nanosheets for Efficient CO₂ Photoreduction"的研究論文，shou 次報道了一種新型的光催化劑，該催化劑在超薄的共價三嗪框架納米片（CTF-NSs）中同時集成了突出形狀的Co單原子和強大的極化場。實驗結(jié)果和理論模擬均表明，這種新型光催化劑（Co₁/CTF-NSs）成功地觸發(fā)了巨大的局部極化場，誘導(dǎo)了方向性的電荷遷移，并極大地促進了光生載流子的分離。這種突出的Co中心增強了CO₂的2p軌道與Co 3d軌道之間的重疊，從而促進了CO₂的吸附。此外，突出的Co與CO₂之間的局部極化場驅(qū)動了大量電子從Co 3d注入到CO₂的反鍵軌道中，有效地激活和還原了CO₂分子。因此，合成的Co₁/CTF-NSs在可見光照射下展現(xiàn)出了顯著的CO產(chǎn)生速率（5391 μmol g^?1 h^?1）和高選擇性（97.3%），代表了迄今為止最佳的分子框架光催化劑之一。

圖1 利用PXRD, 2D WAXS和FT-IR證實了Co₁/CTF-NSs的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。利用SEM, TEM, SAED, HRTEM和AFM證實了Co₁/CTF-NSs的形貌。

圖2 通過AC-HAADF-STEM，XPS光譜展示了Co單原子在Co1/CTF-NSs中的分散和化學(xué)狀態(tài)，XAFS分析揭示了Co原子的確切原子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境。

圖3 不同樣品在可見光照射下的光催化CO₂還原性能，包括CO和H₂的產(chǎn)率、選擇性、AQY和TOF，以及Co₁/CTF-NSs的循環(huán)穩(wěn)定性測試和同位素標記實驗結(jié)果。

圖4  Co₁/CTF-NSs的能帶結(jié)構(gòu)、PDOS圖、表面電勢圖像、fs-TA光譜和光電流曲線，這些結(jié)果表明了突出的Co極化場加速了電荷分離和轉(zhuǎn)移速率。

圖5 通過理論計算，展示了Co₁/CTF-NSs中CO₂的吸附和活化過程，以及突出的Co極化場促進電子從CTF-NSs轉(zhuǎn)移到吸附的CO₂中間體。

圖6 利用原位漫反射紅外光譜（DRIFT）監(jiān)測了光催化CO₂還原過程中的反應(yīng)中間體，提出了Co₁/CTF-NSs上CO₂光還原的可能機制

結(jié)論：本研究成功開發(fā)了一種新型的單原子光催化劑Co₁/CTF-NSs，通過突出形狀的Co-N₂單原子位點和強大的極化場，實現(xiàn)了高效的電子轉(zhuǎn)移和CO₂活化，從而在CO₂到CO的轉(zhuǎn)化中取得了zhuo越的光催化性能。這項工作不僅為光催化劑的設(shè)計提供了重要的基礎(chǔ)見解，也為各種應(yīng)用中的高性能光催化劑的合理設(shè)計和制備提供了一般策略。