新型COF-g-C3N4复合材料实现高效光催化CO2制甲醇

新型COF-g-C3N4复合材料实现高效光催化CO2制甲醇

卡里亚尼大学Sk. Manirul Islam等研究人员开发了一种新型的基于三嗪的二维共价有机框架（COF）材料TRITER-1，并将其与石墨相氮化碳（g-C3N4）复合，制备了TRITER-1@g-C3N4复合材料。这种复合材料在可见光驱动下能够高效地将温室气体CO2还原为甲醇，展现出优异的光催化性能。

研究背景

当前，人类活动导致的CO2排放量已达到419 ppm，这种持续的CO2释放可能导致气候失控，造成严重的环境影响，成为人类面临的重大全球性问题。为应对这一挑战，研究人员提出了将CO2转化为高附加值化学品（如环氧化物、甲酰胺、羧酸）和替代燃料（如甲醇）的解决方案。光催化作为一种替代方法，在温和条件下还原CO2，已被广泛研究。然而，现有的半导体光催化剂（如TiO2、ZnO、SiC、WO3）在CO2还原制甲醇方面仍存在效率低、选择性差等问题。

实验部分

研究人员通过Schiff碱缩合反应，以对苯二甲醛和1,3,5-三(4-氨基苯基)三嗪为原料，制备了两种Schiff碱化合物M2T3和TRITER-1，并将其负载到g-C3N4表面，得到两种有机复合材料M2T3@g-C3N4和TRITER-1@g-C3N4。以TRITER-1@g-C3N4复合材料（10mg）为光催化剂，NiO纳米颗粒为助催化剂，在CO2气氛、乙腈溶剂、三乙胺牺牲电子供体条件下，在15W可见光照射6h，实现了CO2光还原制备甲醇，最大TON达172，产量22600μmol，同时检测到甲酸和甲醛副产物。对照实验表明，没有光照、催化剂或助催化剂存在的情况下反应不能发生。

材料表征

通过FT-IR、XRD、N2吸脱附等温线、TEM、SEM、UV-Vis漫反射光谱和XPS能谱等多种表征手段，研究人员证实了TRITER-1@g-C3N4复合材料的结构和性能。结果显示，该材料具有高结晶度和较大比表面积（438m2/g），在可见光区有较强的吸收，吸收边达603nm，禁带宽度为2.05eV，预示其具有可见光响应的光催化活性。

总结与展望

这项研究开发了一种无金属参与的高结晶COF基复合光催化剂，为CO2还原制备甲醇提供了一条绿色、经济、可持续的新途径。然而，研究也指出，该催化剂的转化数和产率仍有待进一步提高，甲醇选择性有待优化，副产物生成机理需要深入探究。此外，光催化体系的量子效率、太阳光转化效率等关键参数也需要在后续研究中予以重点考察。