将CO2光还原或电还原成高价值产品是实现碳中和的一个很有希望的战略。基于此,华南师范大学兰亚乾教授(通讯作者)等人报道了利用金属卟啉[四(4-羧基苯基)卟啉-M(M-TCPPs)]和用于光催化和电催化CO2还原的还原性POM(分别为PCR和ECR),构建了一系列基于多金属氧酸盐的金属有机框架(M-POMOFs),并揭示了单金属位点和簇在催化中的作用之间。Fe-POMOF表现出优异的选择性(97.2%),在PCR中甲烷产量高达922 μmol/g,在ECR中CO2转化为CO的法拉第效率(FE)高达92.1%。
通过DFT计算,作者研究了Fe-POMOF的光还原和电还原过程。在PCR反应中,发现最高和最低的占据分子轨道(HOMO和LUMO)分别位于Fe-TCPP和POM簇中。结果表明,POM簇可以作为光还原的活性位点。
作者还计算了POM在-0.88 V临界电位下的自由能图(PED)。其中,第二步(*COOH→*CO/*HCOOH)是确定CO2还原产物的关键过程。由于ΔGCH42(-0.484 eV)<ΔGCO2(-0.404 eV),可以推断POM在光催化过程中优先选择CH4途径而不是CO途径。
由于POM是光催化的活性位点,因此CH4是光还原的主要产物。由于*COOH在M-TCPP上的吸附比在POM上更强,因此POM仍应是CO2RR的催化活性位点,且每种金属的催化活性差异不大。
Fe-POMOF在所有金属中具有最小的LUMO-HOMO间隙,同时实验还表明Fe-POMOFs的能隙是最小的,因此Fe的光吸收效率高于其他金属。Bader电荷分析表明,Fe-TCPP与POM混合时,在所有金属中具有较大的电荷(-0.72),导致POM中更高的LUMO水平,从而增加过电位,进而增加CO2RR的活性效率。
Demystifying the roles of single metal site and cluster in CO2 reduction via light and electric dual-responsive polyoxometalate-based metal-organic frameworks. Sci. Adv.,2022, DOI: 10.1126/sciadv.add5598.