設(shè)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(guān)領(lǐng)域的研究熱點。近期，北京大學(xué)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(yù)引發(fā)了一系列嚴(yán)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(qū)動二氧化碳轉(zhuǎn)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(guān)注。值得注意的是，絕大部分關(guān)于pCO2RR的研究工作都是基于高純二氧化碳的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(qū)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(lǐng)域注入新的活力。 針對上述問題，北京大學(xué)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(jié)構(gòu)，促進了光生載流子的分離和遷移。另一方面源于其結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（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(xué)在讀博士研究生鄭亞麗 ChemCatChem DOI：10.1002/cctc.202002005
