鲁统部教授团队在人工光合作用催化剂研究方面取得系列重要进展

近日，新能源材料与低碳技术研究院钟地长和鲁统部教授团队在人工光合作用催化剂研究方面，取得了系列重要进展，相关成果发表在PNAS、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.等国际综合或化学顶级期刊上。

针对二氧化碳还原过程中质子作用不够清楚的问题，团队设计了四种羧基数量不同的双核金属配合物催化剂，发现随着配合物上羧基数量的增加，其催化活性显著提升。研究发现配合物上的羧基承担了质子“接力棒”，可以加速质子转移，从而促进二氧化碳光还原。该研究从分子水平上阐明了催化剂上的质子浓度对二氧化碳还原效率的影响规律。

针对光催化二氧化碳还原产物选择性难以调控的问题，团队采用原位共价生长策略，将金属卟啉配合物固定在COF框架中，并进一步与石墨烯复合，制备了高效的二氧化碳还原复合催化剂。在含水体系中，该催化剂表现出对CO高选择性；而在无水体系中，对HCOOH表现出高选择性。该研究工作实现了单一催化剂对不同还原产物的高选择性调控。

针对光催化二氧化碳还原体系大多需要贵金属光敏剂和电子牺牲剂的问题，团队将双核配合物和钙钛矿量子点分别固定在导电MOF的通道和超薄膜表面，制备了集光敏活性、光还原活性和光氧化活性等功能于一体的超分子薄膜催化剂，实现了以水作为电子供体的高效光催化二氧化碳还原。同时通过集成10层多功能超分子膜，组装了人工光合作用器件。这项工作为人工光合作用催化剂的应用和发展提供了新途径。

据了解，工业化以来，能源危机和气候恶化越来越引起人们的高度重视。利用太阳光驱动分解水制氢和二氧化碳还原制备燃料或化学品，被认为是应对上述问题的有效途径。其中，开发高性能催化剂和揭示催化剂的构效关系至关重要。团队进一步通过晶体相工程，构筑了MOF基COK/MIL-125复合光催化剂，该催化剂可用于高效太阳能转化，在室温下实现了水到氢气的高效转化。通过实验和理论研究揭示了复合光催化剂在分解水制氢过程中活性提升的作用机制。该研究为开发新型的复合光催化剂提供了新思路。与此同时，以上工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目和学校的支持。