设计和探究地壳中元素含量丰富的单组分功能纳米材料（比如二氧化钛，TiO2）用于低浓度二氧化碳的高效光催化还原是能源相关领域的研究热点。近期，北京大学张亚文教授课题组从二维钛基金属有机框架材料（Ti-MOF）出发，通过自模板策略制备得到双相TiO2衍生物，相较于传统的P25材料，该双相TiO2衍生物能够高效、高选择性地光还原低浓度二氧化碳到甲烷。
图1. （a）性能最佳的双相TiO2衍生物（简记为500-CH）在不同二氧化碳浓度下的光催化性能表现；（b）双相TiO2和商业P25材料光催化低浓度二氧化碳还原的活性比较。 人类活动对自然界的过度干预引发了一系列严重的环境问题和能源问题。如何有效处理大气中过剩的二氧化碳迫在眉睫。光催化二氧化碳还原（pCO2RR）直接利用太阳能驱动二氧化碳转化为高增值产品（如CO，CH4, C2H4等），受到了科研工作者的广泛关注。值得注意的是，绝大部分关于pCO2RR的研究工作都是基于高纯二氧化碳的转化，而二氧化碳在工业废气和大气环境中的含量往往不高，因此如何实现低浓度二氧化碳的高效转化十分重要。此外，相较于多组分光催化剂体系，纯组分特别是元素含量丰富的单组分材料，在工艺复杂性和成本经济性上更具优势。目前高效的单组分光催化剂凤毛麟角，所以开发高性能的单组分光催化剂（如TiO2）十分有必要。近年来，从金属有机框架材料出发利用自模板策略制备氧化物基催化剂受到了研究者们的青睐，并且金属有机框架材料前驱体的合理选择可以有效地调控其衍生物的催化性能。因此，发展新型金属有机框架材料及其衍生物可以为二氧化碳光还原领域注入新的活力。 针对上述问题，北京大学张亚文教授课题组发展了一种新型二维钛基金属框架材料，通过自模板法成功制备得到双相TiO2衍生物，表现出优异的二氧化碳光还原性能。其中性能最优的500-CH样品，其甲烷的产生速率高达65.39 μmol g-1 h-1，电子选择性接近100%。即使在低浓度二氧化碳的条件下，500-CH也能保持良好的光催化活性，在10%CO2和1%CO2中甲烷的产生速率分别为51.40 μmol g-1 h-1和45.59 μmol g-1 h-1。研究表明500-CH的优异性能一方面来源于其内部的局域锐钛矿/金红石界面结构，促进了光生载流子的分离和迁移。另一方面源于其结构中丰富的缺陷位点（Ti3+和Ov（氧空位）），促进了CO2的吸附活化以及H2O的解离。此外，基于原位红外表征（in situ DRIFTS）阐释了甲烷的高选择性，并且提出了一种可能的快速加氢脱氧机理。 这项工作可以引导科研工作者开发更多地壳含量丰富的光催化材料用于低浓度二氧化碳的高效转化，并对进一步实现环境二氧化碳去除和工业废气治理提供了一个可行的途径。 图2. 500-CH的高活性来源：丰富的缺陷位点（Ti3+和Ov）和局部异质结构（锐钛矿/金红石界面）。 论文信息： Biphasic Titania Derivatives of Titanium Metal-Organic Framework Nanoplates for High-Efficiency Photoreduction of Diluted CO2 to Methane Ya‐Li Zheng, Dr. Jia‐Tong Ren, Liang Zhou, Kun Yuan, Xiao‐Chen Sun, Hai‐Jing Yin, Prof. Ya‐Wen Zhang 文章第一作者为北京大学在读博士研究生郑亚丽 ChemCatChem DOI：10.1002/cctc.202002005
