文獻(xiàn)分享丨Nature Communications：福建農(nóng)林大學(xué)廖光福團(tuán)隊(duì)在光催化CO?還原領(lǐng)域新進(jìn)展

第一作者：肖茵、丁桂祥、陶家宇

通訊作者：帥李、廖光福

DOI：10.1038/s41467-025-62369-7

福建農(nóng)林大學(xué)廖光福教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表光催化領(lǐng)域重大突破：純水體系下實(shí)現(xiàn)CO?高選擇性還原制乙烷

2025年8月，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》在線刊載了福建農(nóng)林大學(xué)廖光福教授課題組的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)通過分子工程策略創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種氟苯修飾的苝二亞胺基光催化劑，首次在純水體系中實(shí)現(xiàn)了二氧化碳（CO?）向乙烷（C?H?）的高選擇性催化轉(zhuǎn)化，反應(yīng)路徑選擇性高達(dá)92%，為溫和條件下碳資源高效利用開辟了新途徑。

研究突破了傳統(tǒng)光催化CO?還原依賴有機(jī)溶劑或復(fù)雜助催化劑的局限，通過氟苯基團(tuán)的電子效應(yīng)與空間位阻協(xié)同調(diào)控，顯著提升了催化劑在純水中的分散性及反應(yīng)中間體C-C偶聯(lián)效率。論文第一作者為肖茵、丁桂祥和陶家宇，帥李教授與廖光福教授為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、福建省科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

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本文要點(diǎn)

本研究通過分子工程策略，創(chuàng)新設(shè)計(jì)并合成了一種基于N,N'-雙(4-氟苯基)苝-3,4,9,10-雙(二甲酰亞胺)（PDIBF）的受體-供體-受體（A-D-A）型超分子光催化體系。實(shí)驗(yàn)表明，在可見光照射（λ ≥ 420 nm）及純水蒸氣氛圍下，該催化劑可高效驅(qū)動(dòng)CO?還原與水氧化偶聯(lián)反應(yīng)，乙烷（C?H?）產(chǎn)率達(dá)124.84 μmol·g?¹·h?¹，較傳統(tǒng)光催化劑性能提升超3倍，且C?H?選擇性高達(dá)91%。

02

結(jié)果與討論

苝二酰亞胺（PDI）作為典型n型有機(jī)半導(dǎo)體，因穩(wěn)定性強(qiáng)、電子親和性高，在光催化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但其平面共軛結(jié)構(gòu)易引發(fā)分子間強(qiáng)π-π堆積，導(dǎo)致兩大難題：

溶解性差：分子聚集導(dǎo)致催化劑難以分散，活性位點(diǎn)暴露不足；

載流子易復(fù)合：光生電子-空穴對(duì)未參與反應(yīng)即湮滅，量子效率低下。

多技術(shù)表征證實(shí)氟苯修飾苝二酰亞胺衍生物PDIBF成功合成

電子顯微鏡觀察顯示，PDI及其氟苯修飾產(chǎn)物PDIBF均呈規(guī)整棒狀結(jié)構(gòu)（圖2a-c），PDIBF的高分辨圖像可見清晰晶格條紋，表明氟苯引入未破壞結(jié)晶性。

元素與化學(xué)鍵驗(yàn)證

元素面掃描（圖2d-g）表明，F(xiàn)、N、O、C在PDIBF表面均勻分布，F(xiàn)與N/O信號(hào)重疊，初步證明氟苯基團(tuán)共價(jià)連接成功。
13C NMR譜（圖2h-i）中，162.97 ppm處羰基碳因N原子吸電子效應(yīng)高場(chǎng)位移，114.54 ppm處新增C-F鍵特征峰；
FTIR光譜（圖2j）顯示1663 cm?¹（C=O）和1216 cm?¹（C-F）強(qiáng)吸收峰，進(jìn)一步確認(rèn)酰亞胺化反應(yīng)完成。

晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
XRD圖譜（圖2k）顯示，PDIBF在22-29°的衍射峰強(qiáng)度減弱且左移，對(duì)應(yīng)π-π堆疊層間距從0.34 nm增至0.38 nm，有效削弱分子間電子耦合。

表面電子態(tài)分析
XPS譜（圖2l-m）中，F(xiàn) 1s（686.50 eV）和N 1s（400.11 eV）特征峰，以及C 1s分峰中C-F鍵（287.52 eV）的出現(xiàn)，定量分析表明F/C原子比為0.2:1，與理論值一致。

03

全文小結(jié)

本研究首次構(gòu)建了基于苝二酰亞胺（PDI）的氟苯功能化光催化劑PDIBF，通過氟原子強(qiáng)電負(fù)性誘導(dǎo)分子內(nèi)電荷極化不對(duì)稱分布（氟苯/羰基端富電子，苝核中心缺電子），形成強(qiáng)度提升3.2倍的內(nèi)建電場(chǎng)（IEF），驅(qū)動(dòng)CO?-H?O體系高效、高選擇性（>92%）合成乙烷（C?H?）。

三大核心突破

中間體動(dòng)態(tài)捕獲：原位DRIFTS光譜首次直接觀測(cè)到C-C偶聯(lián)關(guān)鍵中間體*COCO（1850 cm?¹特征峰），揭示乙烷生成的雙碳耦合路徑（圖1a）；
反應(yīng)能壘精準(zhǔn)調(diào)控：DFT計(jì)算表明，氟苯引入使C-C鍵形成能壘從1.05 eV降至0.23 eV，突破傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)限制（圖1b）；
電荷分離效率躍升：A-D-A分子結(jié)構(gòu)（受體-給體-受體）的非對(duì)稱電子分布，使光生載流子分離效率提升至87%（較PDI提高2.4倍），壽命延長(zhǎng)至2.1 μs（圖1c）。

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