贾宇桐（Jia Yutong）、周阿武（Zhou Awu）、赵琛（Zhao Chen）等人发表了一篇综述文章，题为《MOF基单原子催化剂用于CO2还原的研究进展》（Research Progress on MOF-Based Single-Atom Catalysts for CO2 Reduction）。该文章发表在《北京工业大学学报》（Journal of Beijing University of Technology）2024年第50卷第2期（Feb. 2024, Vol. 50 No. 2）。本文由北京工业大学环境与生命学部和材料与制造学部的科研人员撰写，系统总结了金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）基单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）用于光催化和电催化CO2还原反应的最新研究进展，同时对其机制、制备策略及未来可能面临的挑战和发展方向进行了深入分析。

背景与研究目的

文章明确指出，CO2的大量排放引发了温室效应加剧等环境问题，而CO2资源化利用已成为实现“双碳”目标的重要技术路径之一。将CO2转化为高附加值化学品（如CO、甲烷、乙烯、甲酸等）是一种极具潜力的策略。然而，由于CO2分子结构稳定，其化学键能（C=O键能约805 kJ/mol）较高，CO2的转化需要面临能量和催化剂效率的限制。传统的光催化剂和电催化剂（如贵金属和半导体材料）在光利用效率、载流子分离效率和CO2分子表面富集方面存在不足，难以满足高效CO2还原的需求。

金属有机框架（MOFs）因其具有高孔隙率、大比表面积、配体和孔径可调节等特性，近年来在催化、气体吸附和传输等领域得到了广泛应用。MOF基单原子催化剂（SACs）结合了MOFs和单原子催化剂的优点，能以原子级精度构建催化活性位点，具有独特的电子结构和高金属利用率，在光催化和电催化CO2还原中展现了巨大的潜力。本文系统梳理并总结了MOF基SACs的研究现状，重点讨论纯MOF固定的SACs和MOF衍生的SACs在CO2光/电催化中的应用，旨在为未来的催化剂开发提供理论和技术支持。

主要观点和内容

光催化与电催化CO2还原反应

1. 光催化CO2还原反应（CO2RR） 光催化CO2RR模仿植物的自然光合作用，通过光催化剂在温和条件下将CO2还原为高附加值产品。光催化过程涉及三个主要步骤：（1）光催化剂吸收能量产生电子-空穴对；（2）光生电子和空穴分离；（3）光生电子和CO2分子进行反应形成还原产物。催化剂的电子迁移率、能级结构以及晶体设计对于抑制电子-空穴复合、提高光催化效率具有关键作用。

2. 电催化CO2还原反应（CO2RR） 电催化CO2RR通过外加电能驱动，产物种类及选择性取决于催化剂的特性和作用机制。CO2RR为质子偶联多电子转移反应，不同催化剂中间体（如*COOH与*CO）的结合强度直接决定产物的选择性。传统电催化剂（如金属Cu、Co、Au及其氧化物）存在高过电位、效率低等问题，而新型SACs的合理设计能大幅优化电催化性能。

MOF基单原子催化剂的制备与特性

1. MOF基材料的优势 MOFs具有优异的配位性和高度有序的纳米结构，可通过调节金属节点和有机配体固定单原子催化活性点。同时，MOFs的大比表面积和多孔性促进了活性位点的暴露与催化反应物的传质。

2. SACs的分类

   • 纯MOF固定的SACs：通过MOF原始结构中的金属节点、孔道限域及配体螯合作用，将单原子金属稳定在MOF框架内。
   • MOF衍生的SACs：通过热解等方式将MOF结构转化为导电性与稳定性更优异的基体材料，如氮掺杂碳或多孔碳，继承MOF框架的孔隙性和活性位点分布特性。

3. 制备策略

   • 金属节点稳定策略：利用MOF框架的金属离子与单原子金属结合，形成稳定的单原子结构。
   • 孔道限域策略：通过MOF的孔径限制单金属离子的位置，实现均匀分布与空间分离。
   • 配体稳定策略：通过功能化有机配体（例如卟啉、吡啶等）的强螯合作用，将单原子金属稳定下来。
   • 混金属与混配体策略：通过引入不同金属或配体，使用热解等方式制备MOF衍生的SACs，以优化催化效果。

MOF基SACs在CO2光/电催化中的研究进展

1. 纯MOF固定的SACs

   • 用于光催化时，可通过功能化配体和金属簇引入光敏作用，提高电子分离效率和量子效率。
   • 在电催化中，纯MOF固定的SACs表现出高法拉第效率和良好选择性，特别是针对CO和甲酸的生成。

2. MOF衍生的SACs

   • 衍生材料通过保留MOF的孔隙结构与导电性，显著提高反应速率和稳定性。例如，氮掺杂碳基单原子催化剂（如Fe单原子或Ni单原子）在CO2电化学还原中展现了卓越的性能。

本文的意义与展望

MOF基单原子催化剂引领了绿色催化领域的研究方向，其科学意义和应用价值体现在以下几点： 1. MOF基SACs提供了一种高效利用CO2、降低温室气体排放的催化剂平台。 2. MOF基SACs的设计思路拓宽了单原子催化学领域的理论与技术发展空间，促进了其它钙钛矿光催化剂和电化学催化剂的研究。 3. 本文系统性总结了现有技术与研究进展，有助于研究者了解当前挑战，如光敏剂的生态影响、催化剂的化学稳定性及成本问题。

未来研究将着重于以下方面： - 扩展MOF前驱体的种类，开发经济稳定的新型材料。 - 优化催化位点和载体之间的协同效应，实现更多碳还原产物的生成。 - 结合理论计算和表征方法，探寻MOF基SACs的高效设计策略。

MOF基SACs为CO2还原反应的探索提供了新思路，推动了“双碳”目标的实现及可持续发展。