过度使用化石燃料和持续的人类活动导致了资源的枯竭、能源危机和全球变暖，以及二氧化碳(CO2)污染。二氧化碳浓度逐年增加，导致海平面上升、气候异常、海洋风暴、荒漠化面积增加等。为了缓解这些问题，通过诸如电化学、光化学或热化学的方法将二氧化碳有效地转化为高附加值的产品是一种有效的途径。其中，电催化CO2还原反应(CO2RR)具有装置简单、环境相容性高、与其他可再生能源(如太阳能、风能)结合度高等优点，被认为是一种最具前景的技术方案。然而，由于CO2固有的热力学稳定性和竞争动力学上有利于析氢反应，电催化CO2RR普遍存在反应活性低、选择性低、导电性差等缺点，远远不能满足实际应用的需要。为了克服这些问题，研究人员探索了不同的电催化剂，如金属(如铜或铁等)、金属双卤代烷(如WSe2、Ag2S或CuS等)、金属氧化物(如Co3O4、Cu2O或SnO2等)等CO2RR电催化。然而，他们仍面临着CO2吸附或富集能力低、分子间电子传递效率低、电催化机制不清等问题。近日，南京师范大学的兰亚乾教授等人通过金属卟啉与TTF的席夫碱缩合反应设计合成了一系列稳定的COFs，进而设计了一系列金属卟啉-四硫富戊烯基共价有机骨架材料(M-TTCOFs)。在这些M-TTCOFs中，TTF与金属卟啉的协同作用可以起到电催化CO2RR中电子供体或载体、电子迁移和电催化活性组分的共同作用。由此获得的M-TTCOFs具有高孔隙率、优异的化学稳定性和均匀分布的金属中心，具有优异的电催化CO2RR性能。由此得到的M-TTCOFs可以作为非常高FECO(91.3%，- 0.7 V)的电催化剂，而且具有高循环稳定性(>40 h)。另外，在去角质后，Co-TTCOF纳米片(~5 nm)的FECO值在0.6 ~ 0.9 V的范围内高于90%，最大的FECO可以达到接近100% (99.7%，- 0.8 V)。另外，通过密度泛函理论计算揭示了电催化CO2RR的机理，为设计新型高效的CO2RR电催化剂来解决二氧化碳问题开辟了广阔的前景。
Hong-Jing Zhu; Meng Lu; Yi-Rong Wang; Su-Juan Yao; Mi Zhang; Yu-He Kan; Jiang Liu; Yifa Chen; Shun-Li Li; Ya-Qian Lan. Efficient electron transmission in covalent organic framework nanosheets for highly active electrocatalytic carbon dioxide reduction. Nature Communications, 2020.
DOI: 10.1038/s41467-019-14237-4
https://doi.org/10.1038/s41467-019-14237-4
