对可持续能源的巨大需求推动了人工光合作用的发展。然而，直接将永久性气体（如CO₂、O₂、N₂）转化到液体燃料中的催化剂和反应界面设计仍然受到气液固界面传质缓慢和催化动力学迟缓的巨大挑战。

近日，北京理工大学王博教授，殷安翔特别研究员，中科院上海应用物理研究所司锐研究员报道了结合多孔MOF基质和单原子（SA）催化中心的优点，引入了由结构定制的SA/MOF颗粒组成的透气膜，用于高效和高通量的光催化气体还原反应。

文章要点

1）研究人员将铱（Ir₁）和钯（Pd₁）单原子分别锚定在MOF节点上作为CO₂和O₂的催化加氢活性中心。MOF基质的缺陷工程不仅可以提高它们的捕光能力，还可以调整其氧化物节点的化学结构（如NH₂-UiO-66的Zr-O），以精细地控制它们与引入的金属SAs的相互作用。活化的NH₂-UIO-66（A-aUiO）基质可以调节负载的金属物种的电子结构以提高其催化活性。

2）SA/MOF膜的高孔隙率形成了气体-膜-气体（GMG）结构，从而促进了湿CO₂向位于相互连接的MOF孔内巨大气固反应界面的金属SA的高通量扩散。与传统的气-液-固反应界面相比，这种高通量的气固界面设计可以显著提高每个催化中心（如SAs）附近的气态反应物的利用率。

3）通过先进的催化中心和反应界面设计，IR1/A-aUiO膜可以催化CO₂到HCOOH的光还原，具有接近单位的选择性，HCOOH活性为3.38 mmol g_cat.^-1 h^-1，分别是Ir₁/A-aUiO颗粒和IrNPs/A-aUiO颗粒的6.5倍和338倍。此外，遵循类似的优化策略，Pd₁/A-aUiO粉末在可见光下可将湿O₂转化为H₂O₂，活性为10.4 mmol g_cat.^-1 h^-1，是PdNPs/A-aUiO（0.14 mmol g_cat.^-1 h^-1）粉末的73倍以上，从而验证了这种催化剂和反应界面设计的广泛适用性。

参考文献

Hao, YC., Chen, LW., Li, J. et al. Metal-organic framework membranes with single-atomic centers for photocatalytic CO₂ and O₂ reduction. Nat Commun 12, 2682 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-22991-7

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22991-7