综述：共价有机框架中的组成工程：用于定制光催化性能

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Composition engineering in covalent organic frameworks for tailored photocatalysis

光催化转化中，共价有机框架（COFs）通过成分调控提升性能，包括优化光吸收、调控活性位点及促进载流子分离。研究总结异原子工程、金属单原子工程等12种调控策略，在制氢、产H2O2及CO2还原中展现应用潜力，并探讨计算机理与挑战。

　　在当前全球面临日益严峻的能源危机和环境污染问题的背景下，开发环保、可持续的生产技术成为迫切需求。太阳能作为地球上最丰富、最清洁的可再生能源，其直接转化为化学能的过程为解决这些问题提供了新的思路。这一过程的关键在于高效的光催化剂，而共价有机框架（COFs）作为一种新型的多孔材料，因其独特的结构和性能在光催化领域展现出巨大的潜力。

COFs是由预设计的有机分子通过强共价键连接而成的二维或三维晶体网络。这种材料不仅具有高表面积和良好的结晶性，还具备可调节的结构特性，使其在光催化反应中表现出色。自2005年Omar M. Yaghi团队首次成功合成COF-1和COF-5以来，COFs的研究迅速扩展，成为光催化领域的热点。随着研究的深入，人们逐渐认识到通过调控COFs的组成可以进一步提升其光催化性能，这一策略被称为“组成工程”。

组成工程的核心在于通过改变COFs的化学组成，优化其在光催化反应中的各项性能指标。例如，通过引入不同的功能基团，可以调节材料的光吸收范围，使其更有效地捕获太阳光谱中的不同波段。同时，通过增加活性位点的数量，可以提高反应物的吸附能力，从而增强反应的效率。此外，调控材料的电子结构有助于促进激子的解离，提高电子和空穴的分离效率，进而提升光催化反应的整体性能。

在光催化过程中，电子-空穴对的快速复合是限制反应效率的主要因素之一。因此，调控COFs的组成以促进电子-空穴的有效分离和传输显得尤为重要。通过构建Z型或S型异质结，可以实现电子和空穴在不同材料之间的定向迁移，从而减少复合率，提高反应效率。Z型异质结利用两种材料之间的能带结构差异，使电子和空穴分别在不同材料中进行反应，而S型异质结则通过电荷转移路径的优化，进一步提升反应效率。

除了异质结的构建，其他组成调控策略也在不断探索和应用。例如，通过引入杂原子，可以调整材料的能带结构，使其更适应特定的光催化反应需求。金属单原子工程则通过在COFs中引入单个金属原子，提升其催化活性和选择性。离子工程和功能基团工程则通过改变材料的表面性质和化学环境，优化其与反应物之间的相互作用。此外，侧链工程、多组分工程、异构体工程、共轭桥工程和单分子接点工程等策略，也在不同程度上影响了COFs的光催化性能。

值得注意的是，COFs的组成调控不仅限于单一策略的应用，而是多种策略的综合运用。这种多维度的调控方法能够更全面地优化材料的性能，使其在光催化反应中发挥更大的作用。例如，在光催化制氢过程中，通过引入铂等贵金属作为掺杂剂，可以显著提高反应效率。而在光催化过氧化氢（H?O?）生产和二氧化碳（CO?）还原等反应中，不同的组成调控策略也展现了各自的优势。

当前，COFs在光催化领域的应用已经涵盖了多个方面，包括但不限于氢气生产、过氧化氢合成和二氧化碳还原等。这些反应不仅对能源生产具有重要意义，还在环境保护和可持续发展方面发挥着关键作用。例如，光催化制氢可以为未来清洁能源提供稳定的氢气来源，而光催化过氧化氢生产则为工业废水处理和有机合成提供了新的方法。此外，COFs在二氧化碳还原方面的应用，为减少温室气体排放和实现碳中和目标提供了可行的技术路径。

尽管COFs在光催化领域展现出诸多优势，但其实际应用仍面临一些挑战。例如，如何在保持材料稳定性的同时，进一步提高其光催化效率；如何实现材料的规模化制备和低成本生产；以及如何在实际反应环境中维持其优异的性能等。针对这些问题，研究者们正在探索多种解决方案，包括优化材料的合成方法、引入新的功能基团、构建更高效的异质结结构等。

展望未来，COFs的组成调控策略仍有广阔的发展空间。随着材料科学和化学工程的不断进步，人们有望开发出更加高效、稳定和经济的COFs基光催化剂。这不仅有助于推动光催化技术的商业化应用，还将为解决全球能源和环境问题提供强有力的技术支持。此外，通过结合先进的表征技术和计算模拟，可以更深入地理解COFs的组成调控机制，为后续研究和应用奠定坚实的基础。