設計和探究地殼中元素含量豐富的單組分功能納米材料（比如二氧化鈦，TiO2）用于低濃度二氧化碳的高效光催化還原是能源相關領域的研究熱點。近期，北京大學張亞文教授課題組從二維鈦基金屬有機框架材料（Ti-MOF）出發(fā)，通過自模板策略制備得到雙相TiO2衍生物，相較于傳統(tǒng)的P25材料，該雙相TiO2衍生物能夠高效、高選擇性地光還原低濃度二氧化碳到甲烷。
圖1. （a）性能最佳的雙相TiO2衍生物（簡記為500-CH）在不同二氧化碳濃度下的光催化性能表現(xiàn)；（b）雙相TiO2和商業(yè)P25材料光催化低濃度二氧化碳還原的活性比較。 人類活動對自然界的過度干預引發(fā)了一系列嚴重的環(huán)境問題和能源問題。如何有效處理大氣中過剩的二氧化碳迫在眉睫。光催化二氧化碳還原（pCO2RR）直接利用太陽能驅動二氧化碳轉化為高增值產(chǎn)品（如CO，CH4, C2H4等），受到了科研工作者的廣泛關注。值得注意的是，絕大部分關于pCO2RR的研究工作都是基于高純二氧化碳的轉化，而二氧化碳在工業(yè)廢氣和大氣環(huán)境中的含量往往不高，因此如何實現(xiàn)低濃度二氧化碳的高效轉化十分重要。此外，相較于多組分光催化劑體系，純組分特別是元素含量豐富的單組分材料，在工藝復雜性和成本經(jīng)濟性上更具優(yōu)勢。目前高效的單組分光催化劑鳳毛麟角，所以開發(fā)高性能的單組分光催化劑（如TiO2）十分有必要。近年來，從金屬有機框架材料出發(fā)利用自模板策略制備氧化物基催化劑受到了研究者們的青睞，并且金屬有機框架材料前驅體的合理選擇可以有效地調(diào)控其衍生物的催化性能。因此，發(fā)展新型金屬有機框架材料及其衍生物可以為二氧化碳光還原領域注入新的活力。 針對上述問題，北京大學張亞文教授課題組發(fā)展了一種新型二維鈦基金屬框架材料，通過自模板法成功制備得到雙相TiO2衍生物，表現(xiàn)出優(yōu)異的二氧化碳光還原性能。其中性能最優(yōu)的500-CH樣品，其甲烷的產(chǎn)生速率高達65.39 μmol g-1 h-1，電子選擇性接近100%。即使在低濃度二氧化碳的條件下，500-CH也能保持良好的光催化活性，在10%CO2和1%CO2中甲烷的產(chǎn)生速率分別為51.40 μmol g-1 h-1和45.59 μmol g-1 h-1。研究表明500-CH的優(yōu)異性能一方面來源于其內(nèi)部的局域銳鈦礦/金紅石界面結構，促進了光生載流子的分離和遷移。另一方面源于其結構中豐富的缺陷位點（Ti3+和Ov（氧空位）），促進了CO2的吸附活化以及H2O的解離。此外，基于原位紅外表征（in situ DRIFTS）闡釋了甲烷的高選擇性，并且提出了一種可能的快速加氫脫氧機理。 這項工作可以引導科研工作者開發(fā)更多地殼含量豐富的光催化材料用于低濃度二氧化碳的高效轉化，并對進一步實現(xiàn)環(huán)境二氧化碳去除和工業(yè)廢氣治理提供了一個可行的途徑。 圖2. 500-CH的高活性來源：豐富的缺陷位點（Ti3+和Ov）和局部異質(zhì)結構（銳鈦礦/金紅石界面）。 論文信息： Biphasic Titania Derivatives of Titanium Metal-Organic Framework Nanoplates for High-Efficiency Photoreduction of Diluted CO2 to Methane Ya‐Li Zheng, Dr. Jia‐Tong Ren, Liang Zhou, Kun Yuan, Xiao‐Chen Sun, Hai‐Jing Yin, Prof. Ya‐Wen Zhang 文章第一作者為北京大學在讀博士研究生鄭亞麗 ChemCatChem DOI：10.1002/cctc.202002005
