天津理工大学材料学院鲁统部

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过渡使用化石燃料产生大量二氧化碳（CO2）已造成全球变暖、海平面升高等一系列环境问题。利用太阳能驱动的人工光合作用将CO2转化为高附加值的碳氢燃料等化学能源被认为是解决能源危机和环境问题的重要途径之一。然而，由于CO2分子的高稳定性和复杂的多电子反应过程，其在温和条件下的高效活化和转化是化学领域最具挑战性的科学难题之一。因此，开发高效和稳定的CO2人工光还原催化剂迫在眉睫。众所周知，原子级分散金属催化剂因其高原子利用率，已在多种类型的反应中展现出优异的性能。金属有机骨架（MOFs）材料一类由金属离子/簇和有机配体连接形成的多孔晶体材料，由于其结构明确、灵活可修饰剪裁性等诸多优势，已被证明是制备原子级分散金属催化剂的重要前驱体。此外，聚合物氮化碳（g-C3N4）不仅含有众多氮原子，为稳定原子级分散金属提供丰富的负载位点，而且具有优异的可见光响应能力、可调的电子结构、无毒性、稳定性等特点，在光催化领域显示出广阔的应用前景。但是，利用简单通用的合成策略实现原子级分散金属负载到g-C3N4表面提升光催化性能仍然面临巨大挑战。

       作者利用共热解策略，一步将原子级分散的金属负载到g-C3N4，制备了基于g-C3N4的高效CO2还原光催化剂。具体的实验操作是：将尿素和MOF混合物在空气氛围550度条件下煅烧4小时，在g-C3N4形成过程中，MOF热解产生的金属原子（Fe、Co、Mn）高分散负载到g-C3N4表面，形成了基于g-C3N4的单原子催化剂。
        天津理工大学鲁统部教授团队报道了一步将原子级分散的金属负载到g-C3N4，制备基于g-C3N4单原子催化剂的策略。通过使用不同量的钴基MOFs和一定量的尿素热解制备了一系列原子级分散Co-g-C3N4催化剂（X-Co-C3N4；X = 10，15，20，25， 30 和35毫克，代表MOF用量）。基于这种简单的合成策略，作者还制备了原子级分散Fe-和Mn-g-C3N4催化剂。光催化CO2还原结果表明，在不添加贵金属共催化剂和光敏剂前提下，25-Co-C3N4可高效光催化还原CO2为CO，其生成速率为394.4 μmol•g-1•h-1，约为纯g-C3N4（4.9 mol•g-1•h-1）的80倍。基于CO2吸附、光电流、电化学阻抗谱和时间分辨荧光光谱测试等手段证实了将原子级分散Co负载到g-C3N4后，不仅增加了CO2捕获能力，而且促进光生电子-空穴对的有效分离，解释了其活性的提高。


        文章信息：Yun-Nan Gong, Bi-Zhu Shao, Jian-Hua Mei, Wei Yang, Di-Chang Zhong*, and Tong-Bu Lu. Facile synthesis of C3N4-supported metal catalysts for efficient CO2 photoreduction. Nano  Research 2021, https://doi.org/10.1007/s12274-021-3519-4.