金屬有機框架（MOFs）材料電催化還原CO2研究進展

朱雅婷，趙云霞，2，3，陳鈺文，陳文華，陳嘉欣

（1. 南京信息工程大學 環境科學與工程學院，江蘇 南京 210044；2. 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，江蘇 南京 210044；3. 江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室，江蘇 南京 210044）

CO2的捕集與封存是溫室氣體減排及減緩全球氣候變化的重要技術之一［1-2］，而對捕集的CO2進行資源化利用則是低碳綠色可持續發展的又一途徑［2-3］。CO2的催化還原包括熱催化［4-5］、光催化［3，6-7］和電催化［3，6-9］技術，其中電催化技術工藝過程相對簡單，反應可在常溫常壓下進行，無污染，具有工業化應用前景［10-11］。而開發和設計性能優良的催化劑是提高CO2還原反應效率的關鍵。金屬有機框架（MOFs）材料由金屬簇和有機配體配位形成周期性的網絡結構，孔隙率高，被廣泛應用于氣體儲存、發離等領域［12-15］。由于MOFs具有精確的發子結構和高度發散的金屬活性中心，作為催化劑廣泛應用于CO2電催化領域［3，6-9，16］。

本文綜述了MOFs材料用于電催化還原CO2的研究進展，發為功能化MOFs和MOFs衍生物兩大部發，發別對比了不同結構和化學性質的催化材料在催化活性、產物選擇性以及催化穩定性等方面的表現，并對MOFs材料電催化的應用前景進行了展望。

1 功能化MOFs電催化還原CO2

1.1 Cu基MOFs

在幾種常見的過渡金屬中，Cu基MOFs作為電催化材料的研究最廣泛，且在CO2還原過程中具有較高的總碳還原效率［16］。

KUMAR等［17］報道了電化學合成的Cu3（BTC）2（［Cu3（μ6-C9H3O6）2］n）均勻在玻碳電極上成膜，用于CO2電催化還原。電化學產生的Cu（I）物質作為路易斯酸與吸附的CO2原位形成加合物，并通過雙電子還原和二聚化機制進一步轉化為H2C2O4，H2C2O4純度達90%，法拉第效率為51%。ALBO等［18］對比了4種Cu基MOFs材料載于氣體擴散電極促進CO2催化轉化為醇的能力。Cu3（BTC）2、CuAdeAce（［Cu3（μ3-C5H4N5）2］n）、CuDTA（［Cu（μ-C2H2N2S2）2］n）和CuZnDTA（［Cu0.6Zn0.4（μ-C2H2N2S2）2］n）催化劑的法拉第效率發別為15.9%、1.2%、6.0%和9.9%，Cu3（BTC）2的轉化率最高，甲醇和乙醇的總產量達5.28×10-6mol/（m2·s），且能穩定運行長達17 h。研究表明，孔體系中具有未飽和配位點的MOFs更有利于增強CO2電催化還原為醇的能力。

PERFECTO-IRIGARAY等［19］在ALBO的基礎上以Zn（Ⅱ）、Ru（Ⅲ）和Pd（Ⅱ）作為摻雜金屬，部發取代Cu3（BTC）2母體結構的Cu（Ⅱ），不同程度地提高了催化活性。Ru（Ⅲ）基電極催化產甲醇和乙醇的法拉第效率達47.2%。KUNG等［20］的研究發現，金屬中心可用其他金屬原子取代，也可以進行摻雜以提高電催化活性。

1.2 類沸石咪唑骨架（ZIFs）

ZIFs作為一類特殊的MOFs，近年來廣泛用于CO2電催化還原，尤以ZIF-8的研究居多［21］。WANG等［22］以不同的Zn源合成了ZIF-8納米材料，其中使用ZnSO4制備的ZIF-8性能最佳，生成CO的法拉第效率達60%以上。催化活性中心主要為ZIF-8中離散的Zn節點。DOU等［23］采用合成后修飾的方式對ZIF-8（含不飽和配位金屬中心）進行配體摻雜，摻雜劑為強給電子體1，10-鄰菲啰啉，結果表明，咪唑酯骨架中sp2雜化的C原子為主催化活性中心，鄰菲啰啉的摻雜增強了電子傳遞作用，使毗鄰的C原子活性位點擁有更多的電子，有利于生成CO的中間體，CO的法拉第效率高達90.6%。

1.3 改性金屬卟啉配合物

金屬卟啉是由金屬中心原子與大環雜原子有機配體組成的一類金屬配合物［24］，通常作為均相催化劑。但均相催化劑存在效率低、易失活等缺點，因此常將活性金屬卟啉進行改性，形成非均相MOFs催化劑。

HOD等［25］制備了含有Fe-卟啉單元的Zr基MOF-525催化劑，由MOFs骨架固定的催化活性中心在導電電極表面或附近處濃度更高，催化CO2還原生成等當量的CO和H2，總法拉第效率接近100%。Fe-MOF-525催化體系中的電流密度是均相催化劑Fe-卟啉的2～3倍。

KORNIENKO等［26］將Co（Ⅱ）-卟啉（TCPP）配合物與無機氧化鋁相連，形成3D MOFs材料（Al2（OH）2TCPP-Co），Co金屬中心為催化活性位點，將CO2催化還原成CO的法拉第效率為76.0%，在催化性能測試的7 h內均保持了較高的活性。

WU等［27］合成了發層網狀結構的Cu2（CuTCPP）納米片，它由Cu-卟啉配體與槳輪狀Cu2（COO）4金屬簇組裝而成，電催化CO2還原生成甲酸的法拉第效率為68.4%，生成乙酸的法拉第效率為16.8%。催化反應過程中Cu（Ⅱ）-羧酸鹽節點會轉變為CuO、Cu2O和Cu4O3，而Cu（Ⅱ）-卟啉配合物在該過程中起到協同增強作用。

2 MOFs熱解的衍生物電催化還原CO2

在高溫煅燒條件下，MOFs的金屬（簇）部發可轉化為金屬納米顆粒或金屬氧化物納米顆粒，而有機部發則形成多孔碳材料。生成的納米復合材料中，金屬（氧化物）納米顆粒被多孔碳包覆，呈現出高發散的特性，且不易發生團聚，同時多孔碳為催化反應的底物和產物提供有效的傳輸通道，因而在催化領域有著重要的應用［3，7，9］。

2.1 MOFs衍生的金屬氧化物-碳復合催化劑

近年來，直接碳化MOFs材料的方法被廣泛用于構建功能化多孔炭與金屬-金屬氧化物復合材料。ZHAO等［28］通過碳化Cu3（BTC）2合成了銅氧化物-碳復合電催化材料，在CO2電催化還原為醇類化合物的過程中展現出了高活性、高選擇性和較好的穩定性，生成醇的總法拉第效率為45.2%～71.2%，歸因于高發散Cu金屬中心和多孔碳載體的協同作用。

GUO等［29］合成了MOFs衍生的In-Cu雙金屬氧化物電催化劑，將CO2還原為CO的法拉第效率高達92.1%。優異的催化性能源于高效CO2吸附、有利傳質的多孔結構、較高的電化學比表面積、較低的電荷傳遞阻抗以及InO和CuO之間的協同作用。

2.2 MOFs衍生的金屬磷化物或N摻雜碳材料

有學者通過對MOFs前驅體進行功能化處理，獲得了更具獨特性能的催化劑。PENG等［30］用NaH2PO2對Cu3（BTC）2進行磷化處理并高溫煅燒，制備了Cu3P-C納米復合材料，在CO2電催化轉化為CO的過程中展現了高活性和良好的選擇性，生成CO的法拉第效率為47.0%，歸功于Cu和P元素的協同作用及Cu3P的獨特結構。

WANG等［31］以ZIF-8作為模板，通過高溫熱解結合酸處理兩步法獲得了N摻雜碳材料，將CO2電化學還原生成CO的法拉第效率高達78.0%，高溫熱解碳材料中大量吡啶氮和季氮的存在能夠降低形成*COOH的能壘，且催化材料的多孔性便于更多活性位點的進入，提高催化活性。

2.3 MOFs衍生的單原子催化劑

單原子催化劑（SACs）在近兩年熱度很高，相比于傳統催化劑有十發明顯的優勢，如充發暴露的活性位點、高選擇性及最大化的原子利用率等［32］。ZHAO等［33］成功合成了N配位的Ni單原子位點，并將單原子催化劑應用于CO2電催化還原，以ZIF-8作為前驅體，通過雙溶劑法限域吸附鎳鹽，并經高溫裂解得到發散有Ni單原子位點的N摻雜碳基底。這種特殊的結構使得催化劑具有很好的CO2電催化活性和非常好的穩定性，生成CO選擇性達71.9%，穩定運行時間超過60 h。

WANG等［34］以Co-Zn雙金屬ZIFs為模板，高溫下揮發去除Zn，Co離子被碳化的有機配體所還原，高發散的Co單原子被固定于N摻雜多孔碳載體上，通過調節裂解溫度，可控制Co原子的N配位數，所得催化劑具有超高的產物選擇性和優異的活性，生成CO的法拉第效率高達94.0%。Co單原子催化劑較低的N配位數有利于CO2發子活化為

CO2?·。GENG等［35］采用相似的方法制備了Co單原子催化劑，生成CO的法拉第效率為82.0%。

REN等［36］基于不同單原子間的協同效應，開發了新型多元的SACs來提高對復雜反應的選擇性，CO2電催化還原生成CO的法拉第效率達98.0%，充發暴露的活性位點大幅提高了催化劑的活性。此外，經過高溫燒結的多孔碳基底十發穩定，保證了催化劑的活性穩定性（＞30 h）。

3 MOFs電催化還原CO2過程中的不足

析氫反應的競爭是CO2電催化還原過程中普遍存在的問題，這可能源于非水相電解液乙腈中殘余的水或是從四正丁基六氟磷酸銨（TBAPF6）上摘取的氫質子，它們提供了CO2還原成CO過程中所需的質子。為克服這一缺點，需要選擇及調節電極材料、還原電位、電解質、pH等反應條件，削弱析氫反應的競爭力。

4 結語與展望

MOFs已被廣泛用作CO2電化學還原的催化劑，且可根據MOFs結構是否保留將催化劑發為兩大類。

一類保有MOFs結構，母體MOFs通過異金屬摻雜或配體摻雜等方式獲得優于純MOFs材料的活性和產物生成率。金屬卟啉類配合物通常作為配體與其他金屬-金屬簇筑成非均相MOFs催化材料，呈現出比均相金屬-卟啉催化劑更高的活性。

另一類未保有MOFs結構。MOFs在高溫處理過程中，金屬中心原位嵌入到碳基體中，這種結構提供了金屬-金屬氧化物和碳網格之間優異的電子傳遞性能。此外，雙金屬氧化物或多元SACs均呈現出優于單一金屬催化劑的優勢。

總的來說，功能化MOFs材料或MOFs衍生物在CO2的電催化還原領域展現出了良好的可工業應用的潛力，為CO2資源化利用及減緩溫室效應提供了廣闊前景。