张根教授团队在共价有机框架催化CO2转化新进展

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近日，我院张根教授团队在三维共价有机框架材料光催化二氧化碳还原领域取得重要研究进展，相关研究成果以“3D Covalent Organic Frameworks with Interpenetrated pcb Topology Based on 8Connected Cubic Nodes”为题，发表在国际化学类顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。南京理工大学为该项工作的完成单位和通讯单位，2020级博士生单震为论文第一作者，张根教授和吴晓伟博士为通讯作者。
文章链接为:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01037
        随着工业化进程的加快，人类对化石燃料的过度消耗，导致前所未有的能源危机，同时，二氧化碳过量排放导致严峻的全球气候问题。因此，如何将CO2转化为高附加值的液体燃料和化工原料，不仅将是减少CO2排放以及缓解温室效应的重要手段，还能实现资源的可持续利用，同时也对“双碳目标”的国家重大战略目标具有重要意义。
近几年，我院张根教授团队致力于共价有机框架 (COF) 材料在绿色储能和催化领域的基础与应用研究，取得了一系列的研究进展。近日，团队受到生物固碳途径的启发，设计并构筑了具有全新拓扑结构的三维卟啉基COF材料，命名为NUST-5/6。研究表明，NUST-5催化CO2还原为高附加值的CO，CO/CH4选择性高达86%，为CO2高效转化与资源利用提供新思路。

图1. 具有pcb拓扑结构的新型三维COFs的合成

        科研人员基于功能性卟啉环设计了八连接的结构单元 (TTEP)，在溶剂热合成条件下，通过席夫碱反应获得了具有pcb拓扑的三维COF-NUST（图1）。采用各种光谱表征，证实了NUST-5/6单体之间的完全亚胺缩合。通过PXRD分析了NUST-5/6的晶体结构，实验PXRD图谱与二重穿插pcb模型一致，证实了模拟的结构的准确性（图2）。

图2.COF-NUST结构表征

图3.CO2吸附曲线及光催化CO2还原性能

        基于卟啉单元优异的光电特性，研究人员进一步探索了这类新材料在CO2吸附和光催化CO2还原领域中的应用价值。研究发现在195 K时，NUST-5和NUST-6的CO2吸附量分别为113.53 cm3 g-1和119.21 cm3 g-1，表明这类材料具有作为CO2固体存储器的潜力。光催化CO2还原性能测试表明，在可见光照射10小时后，NUST-5和NUST-6的CO产量分别为54.7和76.2 μmol g-1。此外，NUST-5和NUST-6的CH4产率较低，分别为17.2和12.8 μmol g-1（图3）。经计算，产生的CO/CH4比率为76%和86%，这是目前报道的COF或其他无金属催化剂光催化CO2还原的选择性最高的材料之一。这项研究工作为CO2的绿色转化与资源利用奠定理论基础。
        该工作得到了中组部“海外高层次引进人才”项目、国家自然科学基金、中央高校基础科研业务费和软化学与功能材料教育部重点实验室的支持，材料学院张侃教授、理学院李盎教授、美国莱斯大学的朱东阳和Rafael Verduzco博士对该工作给予很大的帮助。


        文章来源：南京理工大学
       张根，南京理工大学化工学院教授、博士生导师，在兰州大学大学获得本硕博学位(王锐院士)。先后在英国曼彻斯特大学（David Leigh院士）和日本京都大学（Susumu Kitagawa教授）从事多年科学研究。“日本高度人才计划”入选者。主要研究方向为有机合成、功能有机多孔材料合成及应用研究，包括新能源方面（离子传导、锂电池），催化方面（光解水、电催化、有机催化），环境应用（水处理、气体分离）以及器件（膜器件、光电器件）。