【原】【材料】南大孙为银/扬大汪洋ACS Catalysis：设计高活性晶面的二维MOF光催化剂

第一作者：郭帆博士 

通讯作者：汪洋教授 孙为银教授

通讯单位：扬州大学 南京大学 

论文DOI：10.1021/acscatal.2c02789

本工作利用简单、高效的的超声法和溶剂热法制备了暴露高活性晶面{110}的超薄二维钛基MOF材料NH₂-MIL-125并在光催化还原二氧化碳上获得高效的性能（图1）。

 图1. 超薄纳米片NH2-MIL-125的制备工艺及光催化应用原理图（来源：ACS Catalysis）

从图2可知，合成的NH₂-MIL-125材料为均一的超薄纳米片结构（~12 nm），且晶格与{110}匹配。

图2. 超薄纳米片NH₂-MIL-125的微观结构和形貌（来源：ACS Catalysis）

本工作将暴露{110}晶面的超薄二维材料和分别暴露{001}、{110}和{111}的三维NH₂-MIL-125材料进行了光催化还原二氧化碳实验测试。结果发现暴露{110}晶面的超薄二维NH₂-MIL-125展现出了更高的光催化还原二氧化碳的性能（图3）。

图3. 不同催化剂的光催化反应速率（来源：ACS Catalysis）

为了深入揭示不同形貌NH₂-MIL-125样品中不同的二氧化碳光还原性能的原因，本工作进行了DFT计算，以揭示这一过程中的关键作用。结果表明，在二维{110}面中有更多的反应Ti位点，光激发电子位于这些位点，从而驱动二氧化碳的还原反应。这也很好地解释了NH2-MIL-125的二维{110}面的光催化活性的显著增强。

 图4. DFT计算的PDOS和导带边缘的电荷密度（来源：ACS Catalysis）

总结与展望：

在这项工作中，通过合理和简单的方法获得了暴露了不同晶面的超薄纳米片和一系列三维NH₂-MIL-125样品。该纳米片催化剂具有丰富的催化位点、快速转移的电子和优越的结构稳定性，表现出较高的光催化还原二氧化碳活性。DFT计算也佐证超薄{110}纳米片具有更多的Ti反应位点，从而进一步提高了催化效率。超薄MOFs为提高光催化还原二氧化碳性能提供了一种新的途径，也为后续发展更高效的MOFs光催化剂开阔了视野。

作者介绍：

第一作者：

郭帆，扬州大学化学化工学院硕士生导师。本科毕业于安徽师范大学，博士毕业于南京大学，师从孙为银教授。从事配位化学、材料化学和催化能源的交叉工作，围绕“碳达峰 碳中和”前沿课题，重点探索基于MOFs纳米材料的形貌设计与光催化还原二氧化碳的研究。现主持国家自然科学基金青年项目1项。已在Chem. Sci.、ACS Catal.、J. Mater. Chem. A等杂志上发表SCI论文数篇。

通讯作者：

孙为银，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者。无机化学学报常务副主编，中国化学快报副主编。J. Coord. Chem.编委，CrystEngComm顾问编委。中国化学会第28届、29届理事会理事和无机化学学科委员会主任(2011-2018)，第一届监事会监事，中国晶体学会第五届、六届理事会理事。已在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interfaces等杂志上发表SCI论文400余篇。

汪洋，扬州大学化学化工学院教授，博士生导师。国家级和省级人才项目获得者。长期从事理论与计算化学、第一性原理材料模拟等方面的研究。目前主要研究包括：纳米团簇的结构、稳定性及反应活性；功能材料的设计与模拟；新型单原子催化剂的设计与应用；化学成键分析及化学共振分析理论的发展与应用等。现主持国家自然科学基金面上项目1项。在Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Phys. Rev. Lett.等国际学术期刊上发表SCI收录论文80余篇。