温和的自上而下策略用于金属原子化和配位优化实现高效的光催化二氧化碳还原反应

长久以来，如何利用清洁的光催化途径高效地将大气中的二氧化碳分子转化为具有高附加值的化学品是困扰研究者的研究难点，这也是提高光催化体系效率问题的关键。近日，日本国立材料研究所叶金花教授与华中农业大学汪圣尧副教授发表了他们基于人工光合作用实现二氧化碳资源化利用方面取得新进展，该工作首次报道了一种温和的自上而下策略用于金属颗粒原子化和单原子金属配位结构调控，实现了高效的光催化二氧化碳还原反应，为利用太阳能控制全球碳平衡提供了思路。

利用太阳能驱动的人工光合作用实现二氧化碳资源化利用是减少二氧化碳排放并提供可再生能源的一种有效方法。但上述策略受制于光催化二氧化碳还原反应在热力学和动力学上都存在较大困难，当前人工光合作用的效率依然很难超过绿色植物。因此，开发和构筑高效的催化反应活性位对于高效人工光合作用二氧化碳资源化利用体系的构建至关重要。众所周知，单原子金属碳基材料是近年来新兴的催化材料之一，由于独特的电子及能级结构，这类原子级分散的单位点催化材料可以为催化反应提供接近理想水平活性成分的原子利用率，表现出不同于传统纳米催化剂的催化活性、选择性和稳定性。作为最常见的“单原子”催化材料，碳载体上四个氮配位锚定的金属位点 (M-N₄) 虽可提供相对稳定的配位环境，但也一定程度上限制了表面原子结构对活性位点电子和能带结构的调控，制约了上述材料催化性能的提升。

鉴于此，日本国立物质材料研究所叶金花教授团队与华中农业大学汪圣尧副教授团队及国内外多家科研机构展开科研合作，从材料的合成角度出发，创造性的开发了一种温和的自上而下策略用于金属颗粒原子化和单原子金属配位结构调控。原位产生的气态酸可将多种尺度的Fe颗粒刻蚀成Fe离子，汽化金属离子被NC的表面缺陷锚定并在表面富集形成原子级分散的单原子金属Fe活性位。更重要的是，上述过程中NC载体上形成的C=O基团将与单分散的Fe中心键合，最终形成独特的Fe-N₄O物种。通过构建具有独特配位结构的单分散金属FeN₄O位点，使得Fe-NO/NC作为二氧化碳还原助催化剂在均相和非均相光催化剂体系中均展现了良好的催化性能，反应一小时转化数值分别高达1494和825，实现了高效的二氧化碳催化转化反应。该研究为探索和设计用于高效太阳能驱动转化的高性能单原子助催化剂具有重要的借鉴意义。

该成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。论文第一作者为李云祥博士，论文共同通讯作者为汪圣尧副教授和叶金花教授。

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Facile Top-Down Strategy for Direct Metal Atomization and Coordination Achieving a High Turnover Number in CO₂ Photoreduction

Yunxiang Li, Shengyao Wang*, Xu-sheng Wang, Yu He, Qi Wang, Yingbo Li, Mengli Li, Gaoliang Yang, Jundong Yi, Huiwen Lin, Dekang Huang, Lan Li, Hao Chen, Jinhua Ye*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c09060

作者介绍

李云祥，北海道大学-日本国立材料研究所联培博士。主要研究方向为：碳基材料的结构调控及其光/电催化性能探究。目前以第一作者身份在 J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy和Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Small Methods等国际期刊上发表论文8篇。

汪圣尧，华中农业大学理学院副教授，NIMS客座研究员。主要研究方向为：新型光催化固氮材料的设计合成及半导体材料在光催化二氧化碳还原反应中的应用。先后承担了国家自然科学基金、湖北省青年人才项目及湖北省自然科学基金等多项研究项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy和Appl. Catal. B: Environ.等国际一流期刊上发表论文20余篇。

叶金花，NIMS 首席研究员、北海道大学教授，天津大学-日本国立物质材料研究所国际合作实验室主任、973 项目首席科学家。主要研究方向为：光功能材料的研究开发以及其在环境保护及新能源领域的应用。先后承担了国家 “973” 项目以及国家自然科学基金重点项目及等十几项重大研究项目。取得了多项国际领先的创新性成果。在 Nature, Nat. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.和Phys. Rev. Lett.等国际著名杂志上发表 550 余篇高质量论文，迄今已获得同行约 49,000 次引用，H因子112。2016年被接纳为英国皇家化学会会士，并被科睿唯安评选为2016，2018，2019和2020 年度全球高被引科学家，担任英国皇家化学会 Catalysis Science & Technology 杂志及美国科学促进会Science Advances杂志副主编。