孙为银/郭帆通过构建N掺杂铜金属有机框架实现光催化还原二氧化碳至乙烯

可见光下将CO₂转换为有价值的化学燃料可以同时解决过量排放的CO₂和日益严重的能源危机问题。迄今为止，已经可将CO₂高效率催化还原为CO、CH₄、HCOOH等C1产物。与C1产品相比，乙烯C₂H₄等C2+产物拥有更大的能量密度和更高的经济价值，因此具有广泛的应用前景。然而如何在CO₂光催化还原过程中克服缓慢C−C耦合动力学和多电子转移等相关问题一直是个巨大挑战。

近年来，Cu基金属有机框架（MOFs）因具有明确的原子结构和金属位点周围分离的空间环境等优势成为一类十分有前途的催化剂。然而Cu基MOF材料的光生载流子空穴快速重组，导致目前光催化还原CO₂的效率并不理想。

南京大学孙为银教授和扬州大学郭帆副教授以2-甲基咪唑作为N掺杂剂，在室温搅拌下获得了具有分散纳米片形貌的N掺杂NH₂-CuBDC材料（图1）。模拟可见光条件下，N掺杂后的NH₂-CuBDC催化剂可将CO₂还原至C−C偶联产物C₂H₄。X射线吸收光谱表明，N被成功地被引入NH₂-CuBDC中形成Cu−N结构。原位红外光谱显示在NH₂-CuBDC中引入适量的N有利于产生关键的C−C偶联中间体CO−CHO*，从而显著提升了光催化还原CO₂至C₂H₄的效率。X射线光电子能谱表明，与原始MOF相比，N掺杂后的催化剂使Cu位点周围具有相对更高的电子密度。本研究通过构建新型MOF基光催化剂，可以为CO₂转化为C2产物提供新的思路。

图1. 氮掺杂NH₂-CuBDC催化剂的合成过程及光催化还原CO₂示意图。

该成果以“Construction of N-doped copper metal-organic frameworks for promoting photocatalytic carbon dioxide reduction to ethylene”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-024-2229-2）。

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【通讯作者简介】

郭帆，扬州大学化学化工学院副教授，硕士生导师。本科毕业于安徽师范大学，博士毕业于南京大学，师从孙为银教授。从事配位化学、材料化学和催化能源的交叉工作，围绕“碳达峰 碳中和”前沿课题，重点探索基于MOFs纳米材料的结构、形貌设计与光催化还原二氧化碳的研究。

孙为银，南京大学化学化工学院教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事配位化学、超分子化学方面的研究工作。中国化学会第28届、29届理事会理事和无机化学学科委员会主任（2011‒2018年），第一届监事会监事，中国晶体学会第五届、六届理事会理事。2014年入选英国皇家化学会会士。

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