近日，海南大学化学化工学院卢兴教授/周威副教授团队在Angewandte Chemie杂志上发表了题为Staggered ABC-Stacking Cobalt-Triptycene Framework for Accelerating CO2 Photoreduction的研究论文，该研究在纯水相中合成了错层ABC堆剁的钴基三蝶烯框架，实现了高达90%的产率且具备一定的环境兼容性（在东坡湖、白沙门公园等自然水域采集的水样中亦可合成）。进一步地，研究团队通过密度泛函理论计算与分子动力学模拟和主成分分析进一步发现，CO生成速率与Ik值、光学带隙及ΔG*H等因素呈现强相关性，由此修正了以往认为ΔG*COOH是光催化性能主要因素的观点。这些研究成果为高效二氧化碳还原光催化剂的设计原理提供了理论依据。
此外，该团队进一步研究了孔道富集效应对CO2和H2O作为反应物在光催化还原中的影响。通过真空活化和CO2超临界萃取方法对ABC堆叠的Co-TPE-MOF-H2O进行改性，制备了具有活化通道的Co-TPE-ABC-active和CO2富集通道的Co-TPE-ABC-CO2。PXRD分析表明改性材料保持了原始晶体结构。光催化测试显示即使不加外源质子，材料中的配位水仍能提供质子产生H2，且原始材料的H2产率是活化处理材料的两倍。选择性分析表明孔道内的水分子和CO2富集程度显著影响产物选择性，其中水分子与CO2形成的分子内氢键及其转化为碳酸根的过程为CO2捕获创造了有利环境。
通过分子动力学模拟比较不同中心金属（Co、Ni、Cu、Zn、Mn）的三蝶烯框架发现，钴基三蝶烯框架中水的活化能最低，这归因于ABC堆叠独特的层间错位和分子内氢键促进水分子迁移；而CO2在钴框架中活化能最高，减缓了传输速度。进一步证实了ABC构型的层间区域是CO2/H2O主要富集位点，水分子促进CO2形成氢键稳定的碳酸根，为反应创造有利环境。这些特性共同提升了催化活性和转化效率。
在这项研究中，该团队通过结合理论计算与实验表征的主成分分析（PCA），揭示了CO产率与Ik值、光学带隙和ΔG*H的强相关性，修正了认为ΔG*COOH单独决定催化性能的常规认知，建立了材料本征特性（能带结构、电负性和Mulliken电荷）与动力学参数（Ea-H2O、Ea-CO2和Ik值）的构效关系。本研究进一步证实了在海水、河水等未净化水源中合成钴基三蝶烯框架的可行性。
卢兴教授组联合培养硕士研究生吴俊豪、卢鑫慧（导师：卢兴教授）为该论文的共同第一作者，海南大学卢兴教授、周威副教授以及王萧博士为该论文的共同通讯作者。王萧博士在分子动力学模拟及高分辨透射电镜表征等方面为该研究工作提供了帮助。卢兴教授组2024级博士生晏倩倩、邱吉霞，2024级硕士生朱媛媛及张盛副教授，李魁教授参与了该研究工作。海南大学化学化工学院为唯一通讯单位。
该工作得到了国家自然科学基金（项目编号：92261204、22431005、22363004、22401062）、海南省自然科学基金（项目编号：123RC396）、海南大学科研启动基金（项目编号：KYQD(ZR)23171、KYQD(ZR)21141、KYQD(ZR)23137）等项目的支持。
论文信息：Jun Hao Wu, Xin Hui Lu, Qian Qian Yan, Ji Xia Qiu, Wei Zhou*, Yuan Yuan Zhu, Xiao Wang*, Sheng Zhang, Kui Li, Xing Lu*, Staggered ABC-Stacking Cobalt-Triptycene Framework for Accelerating CO2 Photoreduction, 2025, e202504155.
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202504155
撰稿：吴俊豪、周威
编辑：李诗琪
审核：潘福生
