为了减少大气中的CO2浓度，缓解人们对传统化石能源的需求，利用源于可再生能源的电能作为驱动力，将二氧化碳催化转化为更高价值的燃料和碳基产品（CO2RR），实现碳的再循环，对于社会的可持续发展具有十分重要的意义。然而，目前现存的大多数电催化系统的能量转换效率较低，难以实现在较高电流密度下高效电还原CO2的过程。因此，设计、合成新型的电催化材料对于CO2RR的长足发展十分关键。金属-有机框架（MOFs）作为一类典型的晶态多孔框架材料，具有明确可调的化学组分和孔尺寸、高度分散的活性位点及强的吸附富集CO2的能力，在催化领域具有广阔的应用前景。然而大部分MOFs材料导电性差，在电催化过程中电子难以传递到活性中心，通常只能获得较低的电流密度，限制了其进一步发展。近日，中科院福建物构所曹荣研究员和黄远标研究员，在最近几年多孔导电框架电催化CO2还原的研究工作基础上(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23641-23648; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 10.1002/anie.202104564；ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005; ACS Materials Lett. 2021, 3, 454-461; Small 2020, 2004933; Small 2020, 2005254; CCS Chem. 2019, 1, 384; Appl. Catal. B: Environment. 2020, 271, 118929），以2,3,9,10,16,17,23,24-八氨基酞菁镍（NiPc-(NH2)8）活性分子作为模块，构筑了一例本征导电的二维晶态多孔MOF（NiPc-Ni(NH)4），实现了在水介质中CO2高效电催化还原为CO。与传统的羧基MOFs不同，由于镍节点与酞菁镍取代的邻苯二胺之间存在d-π轨道的高度重叠，制备出的NiPc-Ni(NH)4表现出了良好的导电能力。将NiPc-Ni(NH)4块状材料进行剥离，得到的NiPc-Ni(NH)4纳米片不仅具有好的电子传导能力而且具有高度可接近的活性位点。当催化CO2RR时，NiPc-Ni(NH)4纳米片表现出优秀的反应性能，在‒0.7 V vs. RHE，其CO选择性可达96.4%，在‒1.1 V vs. RHE，其CO部分电流密度高达24.8 mA cm‒2，性能超过了目前报道的绝大多数MOFs电催化剂。根据对比试验并结合密度泛函理论（DFT）计算结果表明酞菁环中的Ni-N4单元是CO2RR过程中的活性位点。另外，该MOF材料能够持续电解10 h之久，活性几乎保持不变。该工作为导电框架材料在电催化CO2还原领域的研究及应用提供了实验与理论基础，也为未来设计高效的电催化材料提供了新思路（图1）。图1 NiPc-Ni(NH)4的制备示意图和在水介质中催化CO2还原为CO 该成果以“Conductive phthalocyanine-based metal-organicframework as a highly efficient electrocatalyst for carbon dioxide reductionreaction”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-021-1022-3）。
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作者简介
黄远标 研究员，博士生导师。2009年博士毕业于复旦大学，同年加入中科院福建物构所，2012年被评为副研究员，2014~2015年在日本产业技术综合研究所开展JSPS研究，2017年先后被评为研究员，博士生导师，2018年分别入选中科院海西研究院“百人计划”和中科院青促会优秀会员。目前主要从事多孔离子型框架和导电卟啉/酞菁框架材料（MOF、COF）应用于CO2的热、光、电催化转化研究。
曹荣 研究员，博士生导师。现任中科院福建物构所所长，中科院城环所所长，学术委员会委员，美国化学会Crystal Growth & Design杂志副主编，《中国化学》、《结构化学》、《无机化学学报》编委，中国科学技术大学、厦门大学及福州大学兼职博士生导师。1986年毕业于中国科学技术大学近代化学系，1989年于中国科学院福建物质结构研究所获硕士学位，1993年获中国科学院福建物质结构研究所博士学位并留所工作，1998年2月晋升为研究员，2003年获国家杰出青年基金，2004年获国务院特殊津贴，2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选、中科院“百人计划”、福建省“百人计划”入选者和福建省“海纳百川”创新领军人才。长期从事晶态多孔材料合成与应用性能研究，针对多孔材料的可控制备和功能化两个关键科学问题开展研究工作，形成了功能导向结构设计和调控的多孔材料合成方法及多孔材料与纳米材料交叉两个特色和前沿研究领域。
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