近日，化学与化工学院前沿化学研究院邓伟侨教授团队在高效光催化co2还原方面取得新进展，相关成果以“hydrogen-bond-network breakdown boosts selective co2 photoreduction by suppressing h2 evolution”为题，发表在国际期刊angewandte chemie int. ed.（if=16.6）上。山东大学硕士研究生丛蝶为第一作者，山东大学教授邓伟侨、副教授刘乘乘为通讯作者，山东大学为第一完成单位。
目前，高效率、高选择性地光催化co2还原是碳中和化学中的一个重要反应，但目前仍充满挑战。反应过程中，质子的存在至关重要，能降低反应难度。但由于h2生成电位较低会导致严重的析氢副反应。h2作为副产物不仅降低了co产量，还使得产物分离困难，不符合绿色化学的基本原则。
光敏型聚离子液体结构设计
调节产物选择性的传统策略主要为催化剂和助催化剂的设计。先前的研究已经揭示氢键可以协助质子转移并促进h原子进一步反应。在溶液中的质子传输遵循grotthuss机制，其中质子通过氢键网络扩散。此外，相比于溶液中的质子传输外，催化剂固液界面上的质子传输对催化更为关键。界面氢键网络会对调控析氢产生更加明显的影响。
氢键网络调控光催化co2还原过程选择性示意图
基于以上背景，本工作提出通过切断反应体系氢键网络提高光催化co2还原活性和选择性。选取聚离子液体为光催化剂，其静电微环境能够增强氢键作用，在催化剂/溶剂界面处能够形成较强的氢键作用，是研究体系氢键网络对反应影响的理想催化剂。首先，针对聚离子液体缺少光敏性的缺点，设计并合成了6种由电子给体和电子受体相结合的光敏型聚离子液体（ps-pils）。接下来，光催化性能测试表明，相比于不在溶剂体系加入任何添加剂，当加入chcl3作添加剂时，co2还原为co的速率可以从0.6 mmol/g/h升高至35.4 mmol/g/h，co选择性从26.2%升高至98.9%。相反地，加入dmso作添加剂时，提高了产氢速率，抑制了co2还原。最后，密度泛函理论计算和拉曼光谱证实加入chcl3时，氢键强度低，切断了体系氢键网络，抑制了产氢，提高了co2还原的效率和选择性；加入dmso时，提升了氢键强度，加强了氢键网络，促进了质子的传递，促进了产氢副反应，抑制了co生成。本研究实现了高活性和高选择性的光催化co2还原制备co。这种氢键网络破坏策略可推广到其他涉及析h2催化反应中。
邓伟侨教授团队研究方向聚焦在理论机制与材料设计，即结合理论与实验，以发展性能预测的理论方法为核心，用计算机模拟设计所需性能材料，并高效地合成所设计的材料。近年来，在光催化co2方面取得系列进展，相关成果发表在国内外期刊angew. chem. int. ed. 2024, e202316991；nat. commun. 2023, 14, 6971；adv. sci. 2023, 10, 2206687；appl. cat. b-environ 2021, 300, 120719.
上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者计划和山东大学青年学者未来计划项目的资助。
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