通讯单位：山东大学
论文DOI：10.1038/s41467-020-18154-9
由于反应过程需要高温高压条件，目前，CO2化学固定的成本仍然很高。邓伟侨教授课题组模拟筛选了一万余种共价有机框架结构在常温常压下捕获CO2的性能，发现孔富集效应及其对催化性能具有重要促进作用。基于该认识，制备了在常温常压下实现CO2化学固定高效催化剂。作为空气的重要组成部分，二氧化碳是众所周知的温室气体。随着化石燃料的不断消耗，大气中的CO2浓度在2017年达到了人类历史上的最高水平410ppm，并且浓度还在不断增加。由此产生的温室效应已经开始影响全球生态系统的稳定性，导致全球极端天气的频繁发生。目前，减少二氧化碳排放的工业化技术有两种，捕获或转化，每年在1000万吨的工作规模。但是，无论是捕获技术还是转换技术都需要很高的成本，因为设备需要高温或高压，或者两者都需要。全球经济负担不起10亿吨的二氧化碳减排。因此，在环境条件下捕获和转化二氧化碳的方法是经济减排二氧化碳的潜在解决方案。早在2013年，邓伟侨课题组就在研究中发现，Salen-M复合物可以在相对温和条件下实现CO2的有效催化。为了利用多孔材料捕获CO2的性能，邓伟侨课题组将Salen-M与多孔高分子聚合物相结合，制备了一系列兼具CO2捕获与转化功能的催化剂材料，并发现其中由Salen-Co和Salen-Al构成的共轭微孔高分子材料（CMPs）能够在常温常压下捕获CO2并将其转化为有价值的化学物质（Nat Commun,2013,4,1960）。然而，多孔高分子材料种类众多，除共轭微孔高分子材料外，还包括金属有机框架材料（MOFs）、共价有机框架材料(COFs)等，作为气体捕获材料包含了数成千上万种可能的结构，仍有众多的高效催化剂未被发现。
邓伟侨课题组在前期工作基础上，利用数智化材料设计手段，构建了包含一万余种共价有机框架材料（COFs）的结构数据库，并对这些材料在常温常压下捕获CO2的性能进行了理论研究与筛选。我们发现多孔材料孔道内部存在孔富集效应（pore enrichment effect），即多孔材料的孔道结构和内饰基团对气体小分子起到特征性吸附作用，这些相互作用显著地提升了孔道内部二氧化碳局部浓度，从而促进了二氧化碳在多孔材料内部的催化反应。基于模拟结果，邓伟侨课题组合成了理论预测中具有最优孔富集效应的COF材料（其命名为Zn-Salen-COF-SDU113），并对其催化CO2与末端环氧化合物加成的反应性能进行了测试。结果表明，在常温常压下，Zn-Salen-COF-SDU113催化转化CO2的收率高达98.2 %，周转频率为3068.9。其催化性能与国际上已报道的最优异同类反应催化剂相当。此外，Zn-Salen-COF-SDU113在所有多孔材料中，首次实现了常温常压下CO2与2，3-环氧丁烷的催化反应。实验结果验证了孔富集效应对多孔材料内部催化反应的促进作用。此项工作为设计低成本二氧化碳化学固定催化剂的提供了一种有效策略。
本课题首先构建了COFs材料结构数据库，采用理论计算方法对材料进行了模拟筛选，并发现了孔富集及其在催化反应中的重要作用。基于模拟结果，合成了性能最优的催化剂，从实验上证实了孔富集效应对多孔材料内部催化反应的促进作用。
来源：研之成理
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