碳量子点/金属-有机框架复合材料协同光还原二氧化碳研究

The catalytic reduction of carbon dioxide to CO and other value-added chemicals using visible light not only alleviate the greenhouse effect, but also can make the carbon dioxide waste to treasure. However, up to now, most of the catalysts only respond to UV light, and show low efficiency. Although metal-organic frameworks (MOFs) have tunable pores and functional groups, high specific surface area, strong adsorption capacity of CO2, there has a large room to improve the photocatalytic activity for CO2. Carbon quantum dots (CQDs) are non-toxic materials, which can absorb light from ultraviolet to near infrared, show good photoluminescence properties and electron transport capacity, good water solubility. In order to solve the problem of low efficiency of single catalyst, in this project, the CQDs/MOFs composites will be used to convert the trapped CO2 into CO and other resources under the visible light. CQDs encapsulated in the pores of MOFs will be obtained using the solution diffusion method, “bottle around the ship” and “ship in the bottle” strategies. The obtained CQDs/MOFs composite will be used for photocatalytic reduction of CO2. The general methods for preparing CQDs/MOFs composites will be summarized. A series of CQDs/MOFs composites as highly efficient catalysts for CO2 reduction could be obtained. The mechanism for synergetic photocatalysis of CQDs and MOFs will be elucidated. This project is an effective way to reduce the emission of carbon dioxide, eliminate the greenhouse effect.

将二氧化碳光还原为CO等高附加值化学品，不仅能缓解温室效应，而且能变废为宝。但目前大多数催化剂一般只对紫外光响应，且效率较低。金属-有机框架化合物（MOFs）虽具有高比表面积、强的二氧化碳富集能力，但其效率仍然有待提高。碳量子点（CQDs）能吸收从紫外到近红外的光，还具有良好的发光和电子传导能力等性能。为解决MOFs单一催化剂效率低的问题，本项目拟采用溶液扩散法、瓶子绕船法、瓶中装船法等策略将CQDs限域在可见光响应能力强、二氧化碳吸附量高的MOFs材料中，使获得的CQDs/MOFs材料能将富集在MOFs孔道中的二氧化碳在可见光下高效协同转化为CO等资源。通过本项目的实施，获得系列高效光还原二氧化碳的CQDs/MOFs材料，总结制备CQDs/MOFs的通用方法，阐明CQDs和MOFs进行协同光催化的机制，建立结构与性能的关系。本项目对减少二氧化碳的排放、消除温室效应具有重要意义。

用取之不尽的太阳光将二氧化碳光还原为CO等附加值高的化学品，不仅能变废为宝，而且有利于减少二氧化碳的排放、缓解温室效应。但目前大多数催化剂只能吸收占太阳光为5%的紫外光，且效率较低。晶态多孔金属-有机框架化合物（MOFs）具有高的比表面积、强的二氧化碳富集能力，但其光催化效率仍然有待提高。碳量子点（CQDs）能吸收从紫外到近红外的光，还具有良好的发光和电子传导能力等性能。本项目合成了系列对可见光响应的桥联配体如四羧酸卟啉、胺基化羧酸配体等，并进行自组装反应，获得了系列稳定的卟啉基MOFs和不同孔尺寸的胺基化MOFs材料，如基于卟啉的Zr基MOFs PCN-222和胺基化Fe基MOF NH2-MIL-88(Fe)；采用低压电解石墨棒等方法制备了羧酸化碳量子点；采用瓶子绕船法、静电吸附等方法将碳量子点（CQDs）负载于上述制备的MOFs中，构建了系列CQDs/MOFs复合材料；利用所得到的CQDs/MOFs在气-固条件下进行可见光还原二氧化碳为CO等，发现CQDs/NH2-MIL-88(Fe)催化剂活性在10小时可以达到550 μmol/g催化剂，而CQDs@PCN-222在10个小时内产率高达1400 μmol/g催化剂，远高于没有负载CQDs的PCN-222。本项目的实施，获得2例高效光还原二氧化碳的CQDs/MOFs材料，发现了2种制备CQDs/MOFs的通用方法，阐明了CQDs和MOFs进行协同光催化的机制，为后续提升光催化还原二氧化碳提供了一定的借鉴意义。