可见光驱动Ru8@NU-1000双功能催化剂高效耦合CO2还原与糠胺氧化的研究

针对太阳能驱动CO2还原与有机氧化协同反应中催化剂设计难题，研究人员通过将Ru8团簇嵌入NU-1000金属有机框架（MOF），构建了双功能Ru8@NU-1000光催化剂。该体系在可见光下实现CO2高效还原为CO（2596 μmol g-1h?1）和糠胺氧化为N-糠叉糠胺（NF，11408 μmol g-1h?1），产物选择性和能量转化效率显著优于同类研究，为绿色能源开发提供了新策略。

　　

论文解读

在全球气候变化背景下，如何将温室气体CO₂转化为可再生燃料成为解决能源与环境问题的关键。传统光催化技术面临两大瓶颈：一是需要牺牲试剂消耗光生空穴，造成能量浪费；二是气液产物分离困难。更棘手的是，同时设计兼具CO₂还原与有机氧化双功能的催化剂体系极具挑战性。现有研究如CdS基催化剂虽能耦合反应，但CO产率仅1226.4 μmol g^-1h^?1，且液态产物分离繁琐。这些问题严重制约了太阳能的全谱利用和实际应用。

针对上述难题，浙江农林大学等机构的研究人员创新性地将八核钌簇（Ru₈）封装于NU-1000的微孔（12 ?）和介孔（34 ?）通道中，构建了Ru₈@NU-1000双功能光催化剂。该研究通过浸渍法实现Ru₈在MOF中的均匀分散，在可见光驱动下同步实现CO₂还原与糠胺氧化，CO和NF产率分别达2596和11408 μmol g^-1h^?1，选择性超过92%和99%，且气液产物可自发分离。相关成果发表于《Fuel》，为碳中和目标提供了高效催化方案。

关键技术方法
研究采用浸渍法将Ru₈团簇负载于NU-1000的孔道中，通过ICP-OES定量元素分布。利用PXRD、N₂吸附-脱附、FT-IR和XPS验证材料结构；UV-Vis DRS和PL光谱分析光响应特性；光电化学测试评估电荷分离效率。光催化实验在可见光下进行，气相产物用GC检测，液相产物通过HPLC和¹H NMR表征。循环实验结合XRD和XPS验证催化剂稳定性。

研究结果

Structural characterization
PXRD证实Ru₈@NU-1000保留了NU-1000的晶体结构，N₂吸附显示其比表面积达920 m²/g。XPS中Ru 3d_5/2结合能（280.2 eV）表明Ru₈以+3价存在，FT-IR在2050 cm^-1处出现Ru-CO特征峰，证实Ru₈成功锚定。

Photocatalytic performance
可见光照射4小时后，Ru₈@NU-1000的CO产率是纯NU-1000的8.7倍，NF选择性>99%。对照实验显示，单独Ru₈或物理混合体系活性显著降低，证明MOF孔道限域效应提升催化效率。同位素标记实验（¹³CO₂）确认CO源自CO₂还原。

Reaction mechanism
UV-Vis DRS显示Ru₈@NU-1000在400-600 nm有强吸收，带隙2.3 eV。PL光谱表明Ru₈引入显著抑制电子-空穴复合。能带分析推测光生电子将CO₂还原为CO，空穴氧化糠胺生成亚胺阳离子中间体，最终偶联为NF。

Recyclability test
5次循环后催化剂活性保持90%以上，PXRD显示结构未破坏，XPS证实Ru价态稳定，凸显其工业应用潜力。

结论与意义
该研究通过精准设计Ru₈@NU-1000双功能催化剂，首次实现可见光下CO₂-糠胺氧化还原的高效耦合。其创新性体现在三方面：一是利用NU-1000双孔道结构实现Ru₈的均匀负载，二是通过气液产物自发分离简化工艺，三是创纪录的CO产率（2596 μmol g^-1h^?1）较前人提升112%。这不仅为多相光催化体系设计提供新思路，更推动太阳能驱动CO₂资源化向实际应用迈进，对实现碳中和技术路线具有重要启示。