本文轉自“天津理工大學分析測試中心
（賽默飛科學儀器聯合實驗室）"
氫鍵有機框架光催化合成過氧化氫
工業生產過氧化氫的典型技術是蒽醌法，這種方法帶來了能源和環境問題。因此，開發替代的、環境可持續的H2O2合成方法至關重要。
光催化為過氧化氫（H?O?）的可持續、環境友好型生產提供了一種有效策略，氫鍵有機骨架（HOF）是一種新興的多孔晶體材料，由通過氫鍵和其他分子間相互作用連接的有機分子組裝而成，明確晶體結構使HOF在光催化中的潛在應用，包括析氫、二氧化碳的還原和有機污染物的降解，然而，到目前為止，還沒有關于HOFs作為H2O2合成光催化劑的報道，但在無額外助催化劑、光敏劑和犧牲劑的條件下，過氧化氫光合成全反應（O? + 2H?O → 2H?O?）的催化效率仍需進一步提升。
近日，我校鐘地長教授構筑了供體-受體型氫鍵有機框架（HOFs）可顯著增強水（H?O）與氧氣（O?）光催化全合成過氧化氫（H?O?），相關成果在Nature Communications 期刊上。
本文要點/TJUT
Fig. 1 | Schematic illustration. a Schematically showing the structures of general HOF(TTF-HOF) and donor-acceptor HOF (TTF-Bpy-HOF); crystal structures of b TTF-HOF stabilized by dimeric O-H…O hydrogen bonds with the O…O distance (DO…O)of 2.64?,andc TTF-Bpy-HOF stabilized by O-H…O and O-H…N hydrogen bonds (DO…O=2.56?;DO…N=2.63?) [C (grey), H (white), O (red), N (blue) and S (yellow)].
要點1
構建供體-受體型氫鍵有機框架（HOFs）可顯著增強水（H?O）與氧氣（O?）光催化全合成過氧化氫（H?O?）的活性。在無需任何額外助催化劑、光敏劑和犧牲劑的條件下，供體-受體型TTF-Bpy-HOF能夠在可見光照射下耦合氧還原反應（ORR）與水氧化反應（WOR），同步生成H?O?，其產率高達681.2 μmol g?1 h?1，是TTF-HOF的9倍以上。
要點2
實驗與DFT計算結果表明，TTF-Bpy-HOF中引入的Bpy單元不僅優化了反應路徑，還通過促進電荷分離和優化電子傳輸大幅提升了H?O?全合成的催化性能。該工作為基于HOFs的人工光合作用催化劑理性設計開辟了新途徑。
特色技術助力科研團隊取得進展/TJUT
Supplementary Figure 2 | SEM and EDS mapping. SEM and corresponding EDS mapping images of TTF-HOF.
研究團隊借助環境場發射掃描電鏡(Quanta FEG 250)對TTF-HOF 和TTF-Bpy-HOF的形貌和組成進行了表征。SEM圖像顯示，TTF-HOF和TTF-Bpy-122 HOF具有相似的長方體形貌，并在EDS mapping 圖觀察到了TTF-Bpy-HOF中N元素，而TTF-HOF未觀察到。這些結果表明，TTF-HOF和TTF-Bpy-HOF的種成分存在差異，這與晶體的結構是一致的。
Supplementary Figure 3 | SEM and EDS mapping. SEM and corresponding EDS mapping images of TTF-Bpy-HOF.
太陽能驅動催化CO?制高純度甲醇
甲醇是一種重要的化工原料，也是一種清潔能源。傳統的甲醇生產方法需要復雜的純化步驟，這不僅消耗大量能源，還伴隨著溫室氣體的排放。相比之下，電催化CO2還原反應(CO2RR)可以很容易地與可再生電力(如太陽能)結合，并將CO2轉化為CH3OH。目前通過電化學CO2RR生產CH3OH仍然面臨轉化率低和催化活性低的瓶頸，因此，開發一種能夠高效地將CO2轉化為高純甲醇的技術具有重要意義。
近日，我校魯統部教授、焦吉慶教授和河北大學李亞光研究員等人在Nature Communications 期刊發表了以“Sun-simulated-driven production of high-purity methanol from carbon dioxide"為題的研究論文。
該研究構筑了雙位點催化劑，設計了模擬太陽驅動的串聯催化系統，通過光伏驅動的CO2電催化反應生成合成氣，并將生成的合成氣進一步通過光熱催化轉化為高純度甲醇。構建的具有Ni單原子和Co納米顆粒雙活性位點的自支撐電催化劑，在電催化下能夠產生恒定H2：CO比率的合成氣。生成的合成氣隨后進入光熱反應體系，生成高純度的CH3OH。
該研究為將CO2轉化為高純度CH3OH的提供了一條可行、可持續的途徑。
研究亮點/TJUT
亮點1
設計了一個太陽驅動的串聯催化系統，該系統包括了光伏驅動的電催化CO2還原反應和光熱催化轉化為高純甲醇的反應，能夠直接將CO2轉化為高純度的甲醇（體積分數大于97%）。
亮點2
構建了一種具有Ni單原子–Co納米粒子雙活性位點的自支撐型電催化劑，Ni單原子(Ni SAs)在包裹Co納米粒子(Co NPs)的碳納米管生長過程中被原位錨定，形成復合核殼結構。在?0.6 V至?1.0 V(相對于RHE)的寬電位窗口內，H2:CO比率幾乎恒定為2。
亮點3
太陽能驅動電化學CO2還原反應生成比例恒定的合成氣，隨后被送入光熱反應系統，進行光熱催化轉化，并以較高速率（0.238 gCH3OH gcat-1 h-1）產生高純度的CH3OH。
太陽能模擬驅動下CO2生成高純度CH3OH
特色技術助力科研團隊取得進展/TJUT
研究團隊借助環境場發射掃描電鏡(Quanta FEG 250)研究了Ni SAs-Co NPs雙活性位點催化劑的形貌；通過高分辨場發射透射電鏡(Talos F200 X)對核殼結構進行了表征；借助聚光鏡球差校正透射電鏡(Titan Cubed Themis G2 300)證明了Ni單原子位點，并且大量Ni單原子均勻分布在碳納米管壁上。
Ni SAs-Co NPs雙活性位點催化劑的合成與表征
此外，借助X射線光電子能譜儀（ESCALAB 250xi）進一步分析了元素組成和價態，通過電感耦合等離子體發射光譜(ICP-MS)測定了Ni和Co的實際負載量。
電催化CO2還原性能分析
該研究成功設計了一個太陽能驅動的串聯催化系統，將通過光伏驅動的CO2電催化反應和光熱催化相結合，使用雙活性位點催化劑將CO2轉化為高純度CH3OH，使太陽能驅動高濃度CH3OH的生產成為現實。
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