Angew. Chem. ：高效廉价Au@MOFs催化剂的制备及其电催化CO2

日益繁荣的现代工业导致二氧化碳的过量排放并造成温室效应和海水酸化等系列恶性环境问题，因此有效处理过量排放的CO₂已成为当前全球的研究热点。在此，电催化还原反应不仅可以有效消耗CO₂，而且可以将其转变为CO、HCOOH、CH₄等多种高附加值产物。其中CO作为一种重要的CO₂电催化产物在费托合成、冶金工业、能源和食品储存领域有着广泛地应用。目前通常采用昂贵的金基催化剂电催化CO₂转化为CO，但高昂的催化剂成本严重限制了其应用前景，因此亟需寻找一种新的策略制备廉价金基催化剂。

南开大学赵斌教授团队近年来致力于新型簇基金属有机框架材料 (MOFs)的结构探索及其作为催化剂在CO₂绿色转化领域的研究，先后报道了多例新型团簇催化剂在催化CO₂与环氮 (Angew. Chem.Int. Ed. 2022, 61, e2022001; Adv. Sci. 2016, 3, 1600048)、环氧 (Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6022; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15988)、炔胺 (Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20417; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8586)、炔醇 (Angew. Chem.Int. Ed. 2022, 61, e2021148; Adv. Mater. 2020, 32, 1806163; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 577)、端炔 (Chem. Commun. 2017, 53, 6013)等多类底物的加成反应。此外也对这些团簇催化剂电催化CO₂还原为甲酸也进行了探索(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23394; J. Energy Chem. 2021, 63, 328)。上述研究结果表明MOFs材料在CO₂的催化转化中具有巨大的潜力。

基于前期研究成果，近日赵斌教授团队构建了一例具有[Zr₄₈Ni₆]纳米笼结构的簇基MOF材料，其展现出较大的比表面积(1569 m² g^-1)、孔道尺寸(0.8 nm)以及良好的溶剂/pH稳定性。此簇基MOF可从含有Fe、Ni、Cu、Co、Zn和Mn等干扰离子的模拟电子垃圾废液中选择性回收AuCl₄^-，并采用热还原方法使其转变为Au NPs@MOF催化剂，且可通过改变AuCl₄^-吸附量实现负载金纳米颗粒的尺寸在2.36~4.36 nm范围内进行调节。研究表明Au NPs@MOF可高效电催化CO₂还原为CO，优化电催化反应条件后CO的最高法拉第效率可达95.2%，电流密度高达102.9 mA cm^-2，并且可以在15 h内维持催化性能的稳定。Au NPs@MOF催化剂高效稳定的电催化性能源于MOF中[Zr₄₈Ni₆]纳米笼的限域效应可有效避免金纳米颗粒的团聚。此外，成本计算表明，此Au NPs@MOF催化剂成本仅为2.286 $ g^-1，远低于5 nm尺寸金基催化剂的价格(1341 $ mL^-1)。本工作首次提出通过多孔簇基MOFs从模拟电子废弃物中富集金属源制备金基催化剂的策略，为制备低成本、高性能的金基催化剂提供了一条可行的方案。