基于共價有機框架（COFs）的異質結光催化材料在CO2催化轉化方面具有巨大的潛力，盡管在開發這類光催化劑方面取得了顯著進展，但仍然缺乏對這一領域的全面理解和認識。近日，黑龍江大學蔣保江教授、哈爾濱工程大學張斌教授在Adv. Funct. Mater上發表題為“Recent Advancements in COFs-Based Heterostructures for CO2 Photoreduction ”的綜述性文章。該綜述系統探究了COF基異質結創新設計與光催化CO2還原之間的內在關聯，旨在建立"結構-性能-機制"的構效關系以指導高效催化劑設計合成。作者首先全面介紹了光催化CO2催化轉化的基本原理、作用機制及相關理論，以及COFs材料在該應用中的獨特優勢，繼而從界面工程、空間電荷轉移調控、活性組分雜化、半反應動力學優化及活性位點工程等角度，詳細評述了用于光催化CO2還原的前沿COF基異質結體系；隨后系統梳理了該領域表征技術和研究方法，以解析催化劑結構并探究深層反應機制，最后提出了COF基異質結用于CO2還原面臨的挑戰與未來發展方向，該綜述有望為開發高性能CO2催化轉化光催化劑提供重要指導。

圖1. The overall structure schematic illustration of this review: interface engineering strategies, spatial charge transfer regulation, active component hybridization, half-reaction kinetic optimization, and functional active sites engineering.

自工業革命以來，人類對化石燃料發電的嚴重依賴引發了人為二氧化碳排放的急劇增加。這一趨勢嚴重加劇了全球變暖，同時對全球生態系統構成日益嚴重的威脅。從可持續發展的角度來看，開發利用可持續綠色能源的先進技術和實施有效的大氣CO2捕獲和轉化勢在必行。迄今為止，涉及光催化、熱催化和電催化CO2轉化的多種技術。其中，利用太陽能將CO2轉化為增值資源，為CO2回收提供了一種環境友好的解決方案。在過去的幾十年里，高效的光催化CO2催化轉化系統的發展一直是材料科學的焦點之一。目前，用于光催化二氧化碳減排的先進催化劑在將二氧化碳轉化為各種有價值產物，如一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲醇（CH3OH）和甲烷（CH4）方面顯示出良好的催化活性。然而，這些催化劑的催化效率受到共同的限制，包括光吸收、電荷分離和遷移以及表面失活等。為了最大限度地提高整體光催化性能，人們進行了深入的探索，以應對在載流子分離和量子效率方面的持續挑戰，然而，目前光催化二氧化碳減排的效率仍然不理想。實際應用要求有效的催化劑必須同時滿足以下關鍵要求：優秀的CO2吸附能力、有效的光生載流子分離、以及在催化表面有足夠的活性位點。

圖2. Schematic diagram of the CO2 reduction process in semiconductor-based photocatalytic system, CO2 adsorption modes on photocatalysts, and the advantages of COFs materials in photocatalytic CO2 reduction.

在這篇綜述中，基于結構設計和物理化學原理，探討了基于COF的異質結催化劑對光催化二氧化碳催化轉化活性的調節作用。首先介紹了光催化二氧化碳轉化的基本機制，并展示了共價有機框架材料在此應用中的潛在優勢，包括光收集、電荷轉移、二氧化碳捕獲、質量傳遞和活性位點支持。隨后，系統地提出了一系列針對光催化二氧化碳還原系統中基于COF的異質結的優化策略。這些方法特別關注通過界面結構工程、空間電荷轉移調控、與活性組分的雜化、氧化半反應的動力學優化以及活性位點的合理設計來增強基本過程，最終顯著提升整體催化性能。進一步強調了用于催化劑表征和研究機制探究的先進分析技術和研究方法。尤為重要的是，詳細闡述了該研究領域面臨的挑戰及未來機遇，以克服催化效率、基礎機制分析和實際應用中的瓶頸。

圖3. Challenges and long-term outlooks of COF-based heterojunction photocatalysts for catalytic CO2 conversion.

Qi Li, Xiang Li, Bin Zhang, Baojiang Jiang, Adv. Funct. Mater. 2025, 2506421.

（來源：MOFs 在線 版權屬原作者 謹致謝意）