Angew. Chem. ：单层金属有机框架材料实现高效电催化转化

在全球应对气候变化与推动能源结构转型的进程中，开发能够高效催化二氧化碳、硝酸盐等物质转化为清洁能源的新型材料体系至关重要。金属有机框架材料因其高度有序的可调控结构和丰富的活性位点，被认为是具有潜力的电催化材料。然而，传统三维金属有机框架材料固有的绝缘特性导致电子从电极向内部活性位点的传输受阻，严重限制了其催化性能。近日，北京大学的蓝光旭研究员和南方科技大学的顾均副教授合作，提出了一种创新性解决方案——将三维金属有机框架降维为单层结构，通过最大化活性位点暴露和缩短电子传输路径，显著提升电催化性能。

该研究通过开发厚度仅1.8纳米的单层金属有机框架材料，在多个维度实现高效性能：首先，单层结构使钴(II)-卟啉活性位点全暴露于电极界面（活性位点利用率大于90%）；其次将单层金属有机框架材料化学接枝在导电的氧化石墨烯上，在二氧化碳转化中将一氧化碳的法拉第效率提升至93%（三维金属有机框架材料的法拉第效率为51%），每小时可完成上万次催化循环，且连续工作两天仍保持稳定性能。

这种性能突破源于三大核心优势：1）单层结构使电荷转移电阻降低94%，电子传输路径缩短至纳米尺度；2）原位红外光谱证实界面处形成局域增强电场，有效稳定关键中间体；3）二维限域效应使传质系数达到三维结构的2.2倍。

研究进一步表明单层结构的优势具有普适性——在硝酸盐还原中氨产率提升（选择性大于90%），在氧还原反应中半波电位正移90毫伏。

该研究通过二维限域合成技术，实现了金属有机框架从三维体相到单层结构的精确调控，解决了传统金属有机框架材料导电性差、活性位点利用率低的核心问题。所开发的单层金属有机框架材料在二氧化碳转化、氮循环调控等关键能源催化领域展现出显著优势，为设计新一代高效电催化剂提供了新的策略。

论文信息

Dimensionality Reduction of Metal–Organic Frameworks to Monolayers for Enhanced Electrocatalysis

Zi Yang, An Li, Hao Li, Guotao Lai, Yifan Fu, Yufeng Zhang, Kun Wang, Senhai Zeng, Lin Xie, Mufan Li, Jun Gu, Guangxu Lan

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202505399