上海交大麦亦勇&周永丰团队：超薄MOF纳米片为载体的钴单原子光催化剂用于CO2还原

上海交通大学麦亦勇教授团队和周永丰教授团队合作，采用自下而上自组装策略制备了超薄MOF纳米片为载体的钴单原子催化剂。高比表面积的多孔结构与高负载量的钴单原子赋予该催化剂可见光下优异的光催化CO₂还原性能。

利用太阳能将CO₂转化为合成燃料或化学品是实现碳中和目标的重要技术途径之一。然而，CO₂分子的高热力学稳定性及其还原反应中涉及到的多电子和质子转移过程，导致目前CO₂的光催化转化效率较低。选用合适的载体负载具有高反应活性的单原子催化位点是提高CO₂光催化转化效率的有效策略之一。但具有极高表面能的单原子催化剂在合成与使用过程中极易发生迁移和聚集，导致大部分单原子催化剂的负载量很低（一般为2wt%以下）。因此，制备高负载量的单原子催化剂从而提高催化剂活性仍然是领域内的巨大挑战。开发合适的载体和合理的单原子化策略是克服该挑战的关键。

图1. 单原子催化剂的合成示意图及其光催化CO₂还原制CO的过程示意图

近期，上海交通大学麦亦勇教授团队和周永丰教授团队通过自下而上策略，选用羧苯基钴卟啉为配体与铜离子反应，成功构筑了超薄MOF纳米片为载体的钴单原子催化剂。自下而上的MOF纳米片合成策略避免了片层剥离过程繁琐及其产量较低、片层破损等问题。更重要的是，由于Co位点在MOF形成之前已在卟啉环内完成配位，因此可实现Co单原子在MOF纳米片上的高含量和稳定负载（6.0 wt.%）。此外，制得的MOF纳米片具有2.4±0.5 nm的厚度和微米尺度的大面积。这种超薄的二维结构，不仅可以暴露大量的催化活性位点，而且能缩短光生载流子从材料内部到表面的扩散距离从而有效地抑制电子与空穴的复合。在可见光照射下（λ>420 nm），该催化剂表现出优异的光催化CO₂还原性能（产物CO的生成速率为7,041 μmol g^-1 h^-1，选择性为86%）。该研究对合成具有高金属单原子负载量的二维单原子催化剂具有指导意义，并为更多光催化反应的开发及其反应机理探索提供参考。论文第一作者为上海交通大学的左权博士。

图2. 单原子催化剂的形貌及其光催化CO₂还原性能与机理示意图

详见：Quan Zuo, Rui Cui, Lei Wang, Yuling Wang, Chunyang Yu, Liang Wu, Yiyong Mai, Yongfeng Zhou. High-loading Single Cobalt Atoms on Ultrathin MOF Nanosheets for Efficient Photocatalytic CO₂ Reduction. Sci. China Chem., 2023, 66(2), 570-577.

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【通讯作者简介】

麦亦勇 2001至2007年在上海交通大学获得高分子化学与物理学士、硕士与博士学位；2008年到加拿大McGill大学从事博士后研究；2013年受聘上海交通大学特别研究员/博导，同年到德国马普高分子研究所交流访问；2018年晋升为教授。主要研究方向为基于高分子自组装的光电功能材料化学，致力于用高分子自组装方法解决能源存储与转化所需光电功能材料的有序化难题，优化材料性能并揭示构效关系。目前担任《Nano Research》、《SusMat》、《功能高分子学报》等期刊（青年）编委。所获荣誉和奖励主要包括国家杰出青年科学基金资助、上海市优秀学术带头人、上海市高等学校特聘教授（及跟踪计划）、英国皇家化学会2021 Top 1%高被引中国学者等。

周永丰 1995年至2001年在哈尔滨工业大学应用化学系学习，获学士和硕士学位。2001年至2005年在上海交通大学化学化工学院获高分子化学与物理博士学位。2005年7月留校任教，2006年晋升为副教授，2010年晋升为教授，2013年晋升特聘教授。主要从事超分子自组装，超支化聚合物的分子设计与可控合成，生物膜仿生自组装，多尺度计算机模拟等方面的研究。目前担任Elsevier旗下杂志《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》副主编，兼任《Langmuir》、《高分子学报》、《高等学校化学学报》等杂志编委。所获荣誉和奖励主要包括国家杰出青年科学基金资助，“万人计划”科技创新领军人才，上海市优秀学术带头人，2019年度上海市自然科学一等奖（第一完成人），2009年度国家自然科学二等奖(第二完成人)等。

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