JACS：基于Cu(I)?C鍵的新型MOF實現高效人工光合作用

化石燃料的過度消耗已引發嚴峻的環境與能源挑戰，推動現有能源結構向綠色低碳模式轉型成為當務之急。人工光合作用技術以太陽能為驅動力、水為電子給體，將CO2轉化為高附加值的燃料與化學品，被認為是應對上述危機的理想途徑之一，然而其實現仍存在顯著挑戰。該技術不僅要求在單一材料中精巧集成光捕獲、氧化與還原活性位點，還需確保這些位點之間有高效的協同作用。

近日，中山大學廖培欽團隊基于網狀化學方法，將基于三苯胺的光敏配體三(4-乙炔基苯基)胺（TEPA）與三核Cu(I)簇單元通過M–C鍵整合，成功設計并合成了一種新型銅基MC-MOF材料Cu-TEPA（圖1）。

圖1.Cu-TEPA、Cu-TEPT與Cu-TEPB的制備路線與結構

本研究于氣固體系中測試了Cu-TEPA、Cu-TEPT和Cu-TEPB整體人工光合作用的性能。在模擬太陽光照射下，Cu-TEPA表現出持續且穩定的CO與O2生成能力，產率分別達到86.0 μmol g-1 h-1與43.9 μmol g-1 h-1（圖2）。Cu-TEPA所展現出的優異催化活性在目前已報道的MOF基人工光合光催化劑中位于前列。

圖2.Cu-TEPA、Cu-TEPT與Cu-TEPB的光催化性能測試

通過原位紅外光譜技術，我們捕捉到Cu-TEPA在人工光合作用中的關鍵反應中間體（CAT-COOH與CAT-OH），證實其可實現CO2還原與H2O氧化的協同進行。理論計算進一步表明，該材料具有獨特的電子分離特性——空穴集中于配體、電子富集于銅簇，且其CO2還原反應能壘為同類材料最低，從機理層面揭示了其高性能來源（圖3）。

圖3.Cu-TEPA的催化機理研究

當前工作通過電子結構調控成功驗證了其高效性原理，后續研究可聚焦于配體修飾策略，以進一步優化反應過電勢。本研究不僅為高性能人工光合系統提供了新的設計思路，也為框架材料中催化中心的優化奠定了理論基礎。

這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是中山大學博士研究生陳慧瀅。

Rational Design and Synthesis of a Metal–Organic Framework Featuring Cu(I)–Carbon Bonds for Enhanced Artificial Photosynthesis

Hui-Ying Chen1, Zhen-Hua Zhao1, Ning-Yu Huang2,* Jia-Run Huang1,* and Pei-Qin Liao1*

J. Am. Chem. Soc.

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