人工模拟自然光合作用储氢过程增强 CO2还原

为解决人工光催化 CO2还原缺少储氢过程的问题，研究人员以等离子体 Bi 为储氢介质结合 COFs，构建系统模拟自然储氢。该系统实现高效 CO2还原为 CO，效率达 185.42 μmol?g-1·h-1，为催化剂设计提供新方向。

　　在应对全球变暖的浪潮中，如何高效利用太阳能将二氧化碳（CO₂）转化为燃料成为科学界的焦点。自然光合作用通过水分解与 CO₂还原的有序衔接，借助储氢过程实现高效电荷转移，而人工光催化体系大多跳过储氢步骤，直接利用质子和光生电子还原 CO₂，这导致反应效率受限，且难以突破高能中间体的瓶颈。为了揭开自然储氢过程的奥秘并提升人工 CO₂还原性能，国内研究团队开展了相关研究，其成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过粉末 X 射线衍射（PXRD）分析样品晶体结构，利用透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）进行材料表征，运用密度泛函理论（DFT）计算探究反应机制，同时通过控制实验验证储氢过程。

合成与结构表征

COF-316 通过四氟邻苯二甲腈（TFPN）与六羟基三亚苯基（HHTP）的亲核取代反应合成，Bi@COF-316 则是在 COF-316 合成过程中引入铋纳米颗粒（Bi Nps）。PXRD 结果显示 Bi Nps 的衍射峰与标准卡片一致，证实其成功引入。

储氢过程与反应机制

在光催化体系中，COF-316 的光生电子 - 空穴对引发水分解，生成氧气（O₂）和储氢的 Bi-H。由于 Bi 的表面等离子体共振（SPR）效应，Bi-H 在可见光下被激发产生电子 - 质子对，将 CO₂还原为一氧化碳（CO），同时 Bi-H 再生为 Bi，完成循环。控制实验和表征充分证实了 Bi@COF-316 的储氢过程。理论计算表明，Bi-H 中间体加速了光生电荷分离，并降低了 CO₂还原的反应能垒，是活性提升的关键。

催化性能提升

不含光敏剂和牺牲剂的 Bi (6 wt%)@COF-316 展现出 185.42 μmol?g^-1·h^-1的 CO 生成效率，约为纯 COF-316 的 4.38 倍，凸显了储氢过程对催化性能的显著提升作用。

研究结论表明，该团队成功模拟了自然光合作用的储氢过程，通过 Bi Nps 与 COF-316 的协同作用，构建了高效的人工光催化 CO₂还原体系。这一成果不仅揭示了储氢中间体在电荷分离和反应路径优化中的关键作用，更为设计新一代人工光催化剂提供了全新策略，有望为缓解温室效应和开发可再生能源开辟新路径。其创新点在于将等离子体金属的储氢特性与 COFs 的光催化性能结合，为人工光合作用体系的构建提供了可借鉴的模型，推动了光催化领域向高效、可持续方向发展。