南京理工大学钟秦课题组JACS：晶态-非晶态有机聚合物界面调控实现二氧化碳高效光催化还原制甲醇

▲第一作者：丁杰、唐庆丽

通讯作者：钟秦、Maohong Fan、Harold H. Kung

通讯单位：南京理工大学、University of Wyoming、Northwestern University

论文DOI：

https://doi.org/10.1021/jacs.1c13301

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本文制备了一种氮化碳-非晶态有机聚合物(Melamine−Resorcinol− Formaldehyde polymer，MRF)光催化剂，通过晶态-非晶态有机聚合物界面调控，构建出碳氮共价化学键，消除电子传输至CO₂上的壁垒，促进电子和空穴分离，大幅度促进了甲醇生成。

背景介绍

近年来，CO₂光催化制甲醇(CO₂ + H₂O = CH₃OH + 3/2O₂)受到了广泛关注，其被认为是实现碳中和的理想战略。有机聚合物光催化剂由于其成本低、地球丰度高被广泛研究。晶态有机聚合物例如氮化碳、有机共价聚合物等在光催化CO₂还原制甲醇领域取得了很大进展。但是，非晶态聚合物由于其配体间的各向异性，导致其HOMO和LUMO电子分离困难，在光催化领域的研究和报道较少。本文拟采用晶态有机聚合物氮化碳与非晶态有机聚合物MRF复合，促进其电子和空穴分离，促进其光催化活性。

本文要点

要点1：该工作通过水热合成法制备出了氮化碳-MRF光催化剂。

图1给出了氮化碳-非晶态有机聚合物光催化剂结构，其内部着氮化碳，外部主要由MRF组成。

▲图1 氮化碳-非晶态有机聚合物光催化剂结构图

要点2：MRF有利于CO₂的吸附、活化和光催化还原，氮化碳有利于光-电转化和水氧化，电子需要穿过氮化碳和MRF的界面，实现CO₂还原(图2)。

▲图2 氮化碳-MRF复合材料电子传输路径图

要点3：氮化碳和MRF之间形成了碳氮共价键，有利于电子从氮化碳向MRF转移，消除了电子传输壁垒，促进了电子传输和CO₂还原(图3)。

▲图3 氮化碳-MRF复合材料碳氮化学键形成图

要点4：通过理论计算和实验分析发现，氮化碳和MRF之间形成了较好的衔接，两者复合后电子离域增大，形成了显著的电子和空穴分离(图4)。

▲图4 氮化碳-MRF复合材料电子和空穴分离路径图

总结与展望

在该研究中，我们构建了氮化碳复合非晶态有机聚合物材料，其能够光催化CO2还原选择性生成甲醇。通过晶态-非晶态有机聚合物界面调控，构建出碳氮共价化学键，消除了电子传输壁垒。大幅度促进甲醇生成，其活性较纯氮化碳提高近20倍。

课题组介绍

南京理工大学钟秦教授课题组近年来在能源和催化领域开展了系统研究，取得了系列创新性研究成果。近五年已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Comm., J. Mater. Chem. A., Appl. Catal. B, J. Catal., Green Chem., Carbon等发表SCI收录论文200余篇 (其中第一/通讯作者论文170余篇)，相关论文已被他引4800余次；获授权国家发明专利10余项；2019年获江苏省科学技术一等奖1项。

钟秦，工学博士，南京理工大学教授，博士生导师，化工学院副院长。曾荣获国家级教学名师奖、中国青年科技奖等，入选国家首批“万人计划”教学名师，享受国务院政府特殊津贴。主持包括国家863、国家自然科学基金等科研项目30余项，出版专著3部，获省部级科技进步奖5项。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13301