DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64457-2
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前言
近日，《催化学报》在线发表了福州大学李留义/于岩教授团队在共价有机框架材料光(电)催化领域的最新综述文章。该工作综述了关于共价有机框架材料（COFs）基单位点光(电)催化材料的结构特点、设计原则、应用、结构与性能之间的关系、催化机制及其面临的挑战和未来的发展机遇。论文第一作者为：牛青。论文共同通讯作者为：李留义，钟升红，于岩。
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背景介绍
工业化的快速发展带来了严峻的能源和环境问题。太阳能驱动的光催化技术和电能驱动的电催化技术是绿色可持续的发展技术，既可以获得绿色能源，又可以减少环境污染。光催化和电催化技术的进步依赖于新型催化材料的开发。共价有机框架材料（COFs）是由有机单元通过共价键连接而成的晶态多孔有机聚合物。具有长程有序、高表面积、结构可预先设计等特点，为解决日益严重的环境和能源问题提供了新兴的材料平台。负载型单位点催化剂具有最大的金属原子利用率和确定的活性中心，对提高原子利用效率、揭示催化反应机制和提升催化性能等具有重要意义。基于单位点催化和COFs材料的独特优势，利用COFs材料作为支撑材料锚定高度分散的单位点，如单个金属离子、单原子、单个活性位点或金属团簇等，设计和制备基于COFs的单位点的光(电)催化材料成为当前催化科学领域的研究热点之一。
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本文亮点
作者总结了COFs基单位点材料在光(电)催化应用方面的基本依据和适用光催化和电催化的COFs材料的一般合成方法，讨论了COFs基单位点光(电)催化材料的设计原则及优缺点，系统总结了COFs基单位点光(电)催化材料在光-电催化领域的最新研究进展，并着重介绍了催化机理。此外，还总结了先进原位表征技术和理论计算在揭示COFs基单位点光(电)催化材料催化活性来源中的重要作用。本文期望为COFs基单位点材料在光(电)催化领域的应用提供一些新的见解。
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图文解析
图1. 本综述的概述内容示意图。
要点：
由于COFs具有以下优点：（1）结构可调且定义明确；（2）具有开放性孔道和永久孔隙度；（3）富含杂原子；（4）易于修饰和功能化，可以通过配位效应或者主-客体相互作用合成基于COFs的单位点光/电催化剂。作者总结了COFs基单位点光(电)催化材料的结构特点、设计原则、催化机理及其在光-电催化领域的应用。列举了适用光催化和电催化的COFs材料的一般合成方法：溶剂热法、离子热法、微波法和机械合成法等。此外，全面总结了COFs基单位点光(电)催化材料的光(电)催化应用，其中重点讨论了其光(电)催化反应路径和催化机理。作者还阐释了先进原位表征技术和理论计算对COFs基单位点光(电)催化材料催化机理的重要作用。
图2. COFs基单位点材料光催化机理示意图。
要点：
在光的驱动下，COFs被激发产生电子-空穴对，电子-空穴对在共轭框架内离域。COFs中的光诱导电子可以通过共价键或氢键转移到单位点，以减少吸附的反应物，提高光催化活性。而光生空穴可以被一些电子供体（如牺牲剂或者H2O）氧化消耗。COFs的结构可调性可以优化光吸收，调节激发态电子分布。其永久孔隙率可以显著提高单位点的传质性和可达性，从而在光催化方面具有明显的优势和巨大的应用前景。
图3. 电催化氢氧燃料电池（a）和电解水（b）示意图。
要点：
对于电催化而言，通常使用催化剂来减少过电位，从而提高能量转换效率。电催化氧还原反应是一个缓慢的化学过程，它决定了燃料电池的效率，目前所报道的大部分电催化剂如贵金属及其氧化物，虽表现出优异的电催化性能，但材料的高成本阻碍其大规模应用。COFs基单位点材料因其具有复杂的二级有机结构，有利于其结构设计；具有强共价键结构，良好的热/化学稳定性；表面积大，孔径可调，吸附性能优异等特性，满足理想电催化剂的所有先决条件，是一种很有前途的电催化材料。
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总结与展望
1. 介绍了COFs基单位点光(电)催化材料的结构特点、设计原则及优缺点，总结了COFs基单位点光(电)催化材料在光(电)催化领域的最新研究进展。
2. 深入分析了COFs基单位点光(电)催化材料的光(电)催化机理、电子转移机理、催化反应路径等，并提出一些新的见解。
3. 未来展望：（1）结合人工智能的应用，探索并合成更多新型COFs基单位点光(电)催化材料；（2）进一步结合理论计算和原位表征技术阐释COFs基单位点催化剂中结构与性能的关系，揭示单位点在催化剂中的动态催化过程；（3）深入探索和拓宽COFs基单位点光(电)催化材料的应用范围，提高反应物的选择性，充分发挥COFs的优势。
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作者介绍
李留义，福州大学，材料科学与工程学院，研究员，博导。主要研究方向为：光催化功能导向的共价有机框架（COFs）材料的构建。相关研究成果主要发表在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett., ACS nano, ACS Catal., Small, Chem.Commun.等国际期刊。
课题组链接：
https://cl.fzu.edu.cn/info/1179/15753.htm
钟升红，福州大学，材料科学与工程学院，副教授，硕导。主要研究方向为：非贵金属纳米材料、电催化、锌水电池、液态金属等。
于岩，福州大学，材料科学与工程学院，教授，博导，福建省优秀教师，福建省科技创新领军人才。主要研究方向为：陶瓷材料、环境功能材料，纳米材料等。在Prog. Mater. Sci., J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表各类高水平论文180余篇，出版学术专著5部。以第一完成人获福建省科技进步一等奖2项、二等奖1项、中国材料研究学会一等奖1项、中国发明协会发明创业成果奖一等奖1项，福建省青年科技奖。
文献信息：
Qing Niu, Linhua Mi, Wei Chen, Qiujun Li, Shenghong Zhong *, Yan Yu *, Liuyi Li *, Chin. J. Catal., 2023, 50: 45–82
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