“碳中和”专刊系列文章（十四）｜在碳纳米管上连通分子光敏剂和催化剂以提高光还原二氧化碳选择性和耐久性

Bridging molecular photosensitizer and catalyst on carbon nanotubes toward enhanced selectivity and durability for CO₂ photoreduction

Xiaofeng Cui, Xueting Wang,  Lijun Zhao, Jixin Wang, Tingting Kong^*, Yujie Xiong^*

https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.06.022

用于二氧化碳还原的均相分子光催化剂，特别是基于金属复合物的光敏剂催化剂集合体，由于其效率和可定制功能吸引了大量的研究兴趣。然而它们低的耐久性和可循环性能限制了实际应用。在本工作中我们分别通过共价键和静电作用把金属三联吡啶复合物催化剂和[Ru(bpy)₃]Cl₂光敏剂固定在碳纳米管表面，使得均相体系变成了多相体系。表征表明高负载量（约12 wt.%）金属复合物在碳纳米管上分散得很好。光催化测试表明锚定的分子催化剂的催化活性显著提高，比均相分子催化剂高三倍。另外光敏剂的固定使得生成氢气的副反应完全被抑制，CO选择性可达100%，并且耐久性显著改善。本工作为理性组装分子光敏剂和催化剂以构筑多相光催化剂提供了一条有效路径。

Homogenous molecular photocatalysts for CO₂ reduction, especially metal complex-based photosensitizer‒catalyst assemblages, have been attracting extensive research interests due to their efficiency and customizability. However, their low durability and recyclability limit practical applications. In this work, we immobilized the catalysts of metal terpyridyl complexes and the photosensitizer of [Ru(bpy)₃]Cl₂ onto the surface of carbon nanotubes through covalent bonds and electrostatic interactions, respectively, transforming the homogeneous system into a heterogeneous one. Our characterizations prove that these metal complexes are well dispersed on CNTs with a high loading (ca. 12 wt.%). Photocatalytic measurements reveal that catalytic activity is remarkably enhanced when the molecular catalysts are anchored, which is three times higher than that of homogeneous molecular catalysts. Moreover, when the photosensitizer of [Ru(bpy)₃]Cl₂ is immobilized, the side reaction of hydrogen evolution is completely suppressed and the selectivity for CO production reaches 100%, with its durability also significantly improved. This work provides an effective pathway for constructing  heterogeneous photocatalysts based on rational assembly of efficient molecular photosensitizers and catalysts.

通讯作者

熊宇杰，中国科学技术大学讲席教授、博士生导师，安徽师范大学党委副书记、常务副校长（正厅级）。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。2004至2011年先后在美国华盛顿大学（西雅图）、伊利诺伊大学香槟分校、华盛顿大学圣路易斯分校工作。2011年辞去美国国家纳米技术基础设施组织的首席研究员职位（NSF-NNIN，Principal Scientist），回到中国科学技术大学任教授，建立独立研究团队。曾入选教育部长江学者特聘教授（2018）、国家杰出青年科学基金获得者（2017）、国家高层次人才计划科技创新领军人才（2018），当选欧洲科学院外籍院士（EurASc，2024）、东盟工程与技术科学院外籍院士（AAET，2022）、新加坡国家化学会会士（SNIC，2022）、英国皇家化学会会士（RSC，2017）。现任ACS Materials Letters副主编，Chemical Society Reviews、Chemistry of Materials等期刊顾问委员或编委。主要从事“多场多相催化化学”研究，探索多场耦合和多相流动条件下的催化机制及应用。创制了表界面结构可控的复合或杂化催化材料，实现了催化反应的光、电、磁、热等多物理场调控，发展了分子转化过程的能量耦合机制；设计了可模块化定制的仿生催化器件，实现了催化体系的传质和传能过程强化，发展了基于多相流动控制的应用系统。已发表260余篇通讯作者论文，其中80余篇发表在综合性期刊Sci. Adv.、Nat. Commun.、PNAS、Natl. Sci. Rev.和化学及材料科学三大期刊JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.。论文总引用44,000余次（H指数104），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单。曾获国家自然科学二等奖（第三完成人，2012）、安徽省自然科学一等奖（第一完成人，2021）、中国科学院优秀导师奖（2014， 2015，2016，2018）、英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖（2019）、中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖（2015）。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001074223002759

Xiaofeng Cui, Xueting Wang, Lijun Zhao, Jixin Wang, Tingting Kong, Yujie Xiong, 2024. Bridging Molecular Photosensitizer and Catalyst on Carbon Nanotubes toward Enhanced Selectivity and Durability for CO₂ Photoreduction. J. Environ. Sci. 140, 157-164.