我院兰兴旺副教授在《Advanced Materials》发表COF光催化CO2转化领域重要进展

近期，我院兰兴旺副教授课题组在COF光催化CO₂转化领域取得重要进展，相关工作“Spatial Cascade Sites in Hierarchical COF-Based Photocatalyst Enable C-C Coupling for Selective CO₂ Photoreduction to Ethylene”以河北大学为第一单位发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》（DOI:10.1002/adma.73201, IF = 26.8）。化学与材料科学学院硕士生许浩博为论文第一作者，兰兴旺副教授为第一单位通讯作者，中国科学院理化技术研究所陈勇研究员和香港大学Edmund C. M. Tse教授为共同通讯作者。

在全球气候变暖与化石能源日趋枯竭的背景下，如何将温室气体CO₂转化为高附加值化学品，成为科学界关注的焦点。其中，将CO₂还原为含两个或更多碳原子的C₂₊产物（如乙烯），因其高能量密度和广泛的工业应用前景而备受瞩目。然而，这一过程面临多电子-质子转移缓慢、C–C耦合动力学能垒高等关键挑战。共价有机框架（COFs）是一类具有明确晶态结构的多孔有机材料，在气体存储与分离、催化及光电材料等领域展现出广阔的应用前景。尽管COFs在光催化CO₂还原中受到诸多关注，但受限于活性位点不足和电荷分离效率不理想，其转化效率仍然较低，且主要还原产物集中于C₁物种。

针对上述挑战，该研究团队创新性地提出构建分级串联光催化剂的策略，即将非化学计量比的硫化铟与亚胺-吡啶共价有机框架原位复合，并在COFs界面边缘锚定孤立的镍单原子位点，形成具有空间分离级联活性位点的核壳异质结（IS@COF-Ni）。实验结果表明，在可见光照射下，以水蒸气为还原剂、无需任何贵金属或牺牲剂的条件下，该催化剂实现了49.2 µmol·g^-1·h^-1的乙烯产率和高达86.3%的选择性。相比之下，单一的COFs或硫化铟组分仅能生成CO，这凸显了空间协同位点在促进C–C耦合中的关键作用。通过原位光谱表征与理论计算，进一步揭示了IS@COF-Ni高效生成乙烯的微观机理，提出异质结表面吸附的CO物种在空间邻近的活性位点直接发生二聚生成*COCO关键中间体的串联催化机制。该工作提出了空间级联位点与界面工程协同调控多电子反应与碳-碳键形成的创新机制，为设计实现光催化CO₂还原制备多碳产物提供了新思路。

以上工作得到国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北大学生命科学与绿色发展研究院青年拔尖人才项目的大力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.73201