COFs材料通常具有高度有序的结构、大比表面积以及良好的热稳定性，广泛应用于气体储存与分离、催化、传感、能量存储以及光电转换等领域。近年来，随着对COFs研究的不断深入，人们发现COFs在光照下能够实现电荷分离，结合其可设计的孔隙结构，COFs已成为潜在的光催化剂。光催化是一种利用光能驱动化学反应的绿色催化方法，具有重要的研究价值。近年来，针对不同体系开发了大量的光催化剂。通常，光催化剂分为均相光催化剂和多相光催化剂两种。与均相光催化剂相比，多相光催化剂在保持高催化活性的同时，具有可回收和可重复使用的优势，使其在工业应用中更具前景。
本文总结了阿联酋大学Muhammad Kashif Aslam博士，英国伦敦大学学院/清华大学唐军旺院士，伦敦大学学院兰阳助理教授，大连理工大学全燮教授，北京化工大学赵宇飞教授，阿卜杜拉国王科技大学张华彬教授，大连民族大学张振翼教授等课题组在Nano Research Energy、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等期刊上发表的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
化石燃料的快速消耗和温室气体（特别是CO2）排放的增加，加剧了全球能源和环境挑战。通过光催化过程将CO2转化为高价值燃料，尤其是利用太阳能驱动CO2还原为高能量密度化合物，提供了一种可持续的解决方案。共价有机框架（COFs）作为一类独特的结晶性多孔有机聚合物，因其结构稳定性、可调控的孔隙率和可定制的功能性，已成为极具前景的光催化剂。这些特性使COFs能够支持多种催化活性位点，包括金属和非金属活性位点，从而促进选择性高、效率高的CO2还原。
鉴于此，阿联酋大学Muhammad Kashif Aslam博士在Nano Research Energy上发表了题为 “Advances in covalent organic frameworks for photocatalytic CO2 reduction: Strategies and future perspectives” 的最新研究成果。
本文要点：
在这篇论文中，作者系统地探讨了COFs的内在特性、用于优化其结构的合成方法，以及提升其光催化性能的功能修饰。
作者分析了含金属和非金属活性位点的COFs，以及混合型COF催化剂在光催化CO2还原中的应用，并深入探讨了CO2还原反应（CO2RR）的驱动机制。
最后，作者总结了近期的研究突破，并对COF材料的合成、功能修饰及反应机理研究的未来发展方向提出了展望，以进一步提升CO2还原的效率与可持续性。
Aslam MK, Hussain I, Al-Marzouqi AH, et al. Advances in covalent organic frameworks for photocatalytic CO2 reduction: Strategies and future perspectives. Nano Research Energy, 2024, https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120149.
利用二氧化碳（CO2）作为人工光合作用的主要底物，以生成太阳燃料和/或高价值化学品，契合了全球日益增长的碳中和需求。这一技术为缓解温室气体引发的气候变化影响以及减少对化石燃料的依赖提供了极具前景的解决方案。总体而言，CO2光催化还原过程面临着动力学速率缓慢和电子利用选择性差的挑战。这些限制源于多电子转移的参与以及质子还原竞争反应的干扰。因此，研究人员迫切需要开发高效的光催化剂，以克服这些障碍并将CO2高效转化为目标产物。
鉴于此，英国伦敦大学学院/清华大学唐军旺院士、伦敦大学学院兰阳助理教授等人在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为 “Engineering Single Ni Sites on 3D Cage-like Cucurbit[n]uril Ligands for Efficient and Selective CO2 Photocatalytic Reduction” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者引入了一类新型分子配体-瓜环（Cucurbit[n]urils，CB[n]），作为构建三维笼状金属（镍，Ni）复合分子助催化剂（CB[7]-Ni）的关键组分，用于光催化反应。
该催化剂在可见光照射下表现出高的CO产率（72.1 μmol·h−1）以及高达97.9 %的选择性。为验证产物中碳源的来源，我们设计了一种基于串联反应的简便同位素示踪方法。
该催化过程以Ru(bpy)3²⁺向Ni²⁺位点传递光电子为起点，Ni²⁺还原为Ni⁺。
在笼状配体CB[7]中局部富集的CO2分子随后被邻近的Ni⁺选择性还原生成CO产物。
该研究展示了通过配体结构工程提升未固定分子助催化剂性能的巨大潜力，为开发高效分子催化剂提供了新的思路和方法。
J. Wang, X. Li, C.-H. Chang, T. Zhang, X. Guan, Q. Liu, L. Zhang, P. Wen, I. Tang, Y. Zhang, X. Yang, J. Tang, Y. Lan, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202417384. https://doi.org/10.1002/anie.202417384.
尿素作为一种关键的氮肥，对全球粮食生产至关重要。然而，传统工业合成路径（如Haber-Bosch工艺）能耗高、反应条件苛刻、温室气体排放多，不符合可持续发展的要求。通过光催化将CO2和N2直接光催化还原合成尿素，是一种理想的绿色替代方案，但现有方法普遍存在反应动力学缓慢、C-N偶联能垒高等问题。因此，开发高效光催化剂以提升反应效率和选择性，成为该领域的重要研究方向。
鉴于此，大连理工大学全燮教授在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为 “Enhanced Photocatalytic Synthesis of Urea from co-Reduction of N2 and CO2 on Z-Schematic SrTiO3-FeS-CoWO4 Heterostructure” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者报道了一种Z型SrTiO3-FeS-CoWO4光催化剂，其在CO2和N2共还原合成尿素的光催化反应中表现出高活性。
研究表明，SrTiO3-FeS-CoWO4具有独特的异质结结构，不仅保留了导带中电子（-1.50 eV）的高还原能力，还通过促进电荷转移加速了CO2和N2共还原的动力学。FeS作为电荷转移介质，稳定了*CO和*N2等关键中间体，显著降低了C-N偶联反应的能垒，这一反应是速率决定步骤。此外，SrTiO3-FeS-CoWO4对CO2和N2表现出的优异吸附能力，促进了光催化反应的初始步骤及后续C-N偶联反应。
因此，SrTiO3-FeS-CoWO4催化剂在活化CO2和N2并生成尿素方面表现出优异性能，尿素的产率达到8054.2 μg·gcat-1·h-1，显著高于已有文献报道的水平。
DFT计算与实验结果表明，尿素主要通过*N2与*CO的C-N偶联反应生成。
本研究为设计高效光催化剂以实现CO2和N2共还原合成尿素提供了新的思路。
M. I. Ahmad, Y. Liu, Y. Wang, P. Cao, H. Yu, H. Li, S. Chen, X. Quan, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202419628. https://doi.org/10.1002/anie.202419628.
光催化二氧化碳还原(CO2PR)在生产有价值的商品化学品和燃料方面具有巨大的前景，利用太阳光将二氧化碳和水转化为碳基燃料，在减少大气中CO2含量的同时，可以制备高附加值的碳基燃料或其他化学品，具有绿色、可持续等优点，极具研究前景。其中，由于红外（IR）光区域占据了太阳能的一半，利用红外光驱动CO2还原反应，可以最大限度地利用太阳光谱。但是，红外光能量低且容易产生局部热，且大多数常用的光催化剂的带隙都大于1.8 eV，这使得其难以利用红外光(hv < 1.55 eV) 驱动反应进行，并且到目前为止，只有少数的工作被报道可以实现红外光驱动CO2还原。
鉴于此，北京化工大学赵宇飞教授在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为 “Photocatalytic CO2 Reduction by Near-Infrared-Light (1200 nm) Irradiation and a Ruthenium-Intercalated NiAl-Layered Double Hydroxide” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者以水滑石为研究对象，通过设计层间交换策略，构建了邻菲罗啉钌 ([Ru(dpds)3]4-) 插层的镍铝水滑石 (NiAl-Ru-LDH)。
其在1200 nm的红外光照射下，催化CO2转化为CO，并显示出较高的选择性（84.81%）和优异的稳定性（＞ 50 cycle）。
研究发现，水滑石层间插入[Ru(dpds)3]4-后，光生电子从Ru复合物转移至LDH层板上。
作者通过理论计算进一步发现，Ru复合物插入后，在LDH层板间被压缩，导致电荷双重分布现象，进而导致催化剂带隙变窄(0.89 eV)，实现了红外光驱动CO2还原。
S. Li, Z. Li, J. Yue, H. Wang, Y. Wang, W. Su, G. I. N. Waterhouse, L. Liu, W. Zhang, Y. Zhao, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202407638. https://doi.org/10.1002/anie.202407638.
众所周知，CO2光还原过程涉及多个质子耦合电子转移步骤，具有复杂的还原路径和潜在产物，如一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）。其中，甲烷因其更高的能量存储能力而被视为一种重要的清洁燃料。尽管从热力学角度来看，CH4的生成比CO更具优势，但由于额外的质子耦合电子转移步骤，该过程在动力学上更加困难。因此，开发有效的方法以调整CO2还原动力学并优化质子/电子转移过程，对于实现CO2光还原高选择性生成CH4至关重要。
鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学张华彬教授等人在Advanced Materials上发表了题为 “Ru-OV Site-Mediated Product Selectivity Switch for Overall Photocatalytic CO2 Reduction” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者通过锚定配位不饱和Ru单原子在TiO2表面建立Ru- Ov活性位点，稳定关键反应中间体，促进局部传质，实现光催化CO2整体还原热力学和动力学的双重优化。
作者结合operando光谱和密度泛函理论DFT计算表明，氧空位（OV）抑制*CO的解吸，而Ru有利于质子的提取。
这种结构不仅降低了总体活化能垒，而且还被设计为选择性开关，改变反应路线以产生CH4而不是CO。
因此，Ru-OV/TiO2的CH4产率比TiO2提高了195.4 倍，同时选择性提高到81%。
C. Feng, M. Hu, S. Zuo, J. Luo, P. Castaño, Y. Ren, M. Rueping, H. Zhang, Ru-OV Site-Mediated Product Selectivity Switch for Overall Photocatalytic CO2 Reduction. Adv. Mater. 2024, 2411813. https://doi.org/10.1002/adma.202411813.
利用水（H₂O）对二氧化碳（CO₂）进行光催化还原生成增值的烃类燃料，被认为是一种经济高效且环保的碳资源循环利用方法。然而，由于CO₂分子的高解离能，实现CO₂光还原需要极高的能量输入。从这一角度出发，光催化剂必须能够高效吸收和利用太阳能。尽管许多传统的半导体光催化剂能够利用紫外光（UV）或可见光克服CO₂还原的能量障碍，但太阳光谱中紫外光（<400 nm，占6.8%）和可见光（400–760 nm，占38.9%）的比例远小于红外光（IR，760–3000 nm，占54.3%）。因此，有效利用低能量的红外光来实现高活性且具有可控产物选择性的CO₂还原，至关重要但仍是一个重大挑战。
鉴于此，大连民族大学张振翼教授等人在Advanced Materials上发表了题为 “Single-Atom-Layer Metallization of Plasmonic Semiconductor Surface for Selectively Enhancing IR-Driven Photocatalytic Reduction of CO2 into CH4” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者提出了一种单原子层 (SAL) 金属化策略，以增强红外驱动的热电子的产生，并促进其从等离子体半导体转移到CO2中生产CH4。
该策略使用了一种典型的W18O49@W-Sn纳米线阵列(NWA)，其中Sn2+离子嫁接到等离激元W18O49表面暴露的O原子上，形成表面W-Sn SAL。Sn单原子的掺入增强了W18O49NWA对红外光的等离激元吸收。W-Sn SAL不仅促进了CO2的吸附，降低了其反应活化能垒，而且将吸热的CO质子化过程转移到了放热反应途径。
因此，W18O49@W-Sn NWA对IR驱动的CO2还原为CH4表现出>98%的选择性，其活性是纯W18O49 NWA的9.0倍以上。
这种SAL金属化策略也可以应用于其他等离子体半导体，用于选择性增强CO2到CH4的还原反应。
N. Lu, X. Jiang, Y. Zhu, L. Yu, S. Du, J. Huang, Z. Zhang, Single-Atom-Layer Metallization of Plasmonic Semiconductor Surface for Selectively Enhancing IR-Driven Photocatalytic Reduction of CO2 into CH4. Adv. Mater. 2024, 2413931. https://doi.org/10.1002/adma.202413931.
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