论文奖励丨MC镁瑞臣助力四川大学陈华 李瑞祥课题组发表顶刊论文
喜讯！四川大学陈华、李瑞祥课题组在光催化研究领域取得重要创新性进展，相关成果正式刊发于顶级期刊《Advanced Materials》。
该研究开展全程，团队选用北京镁瑞臣科技有限公司 MC-PF300C 氙灯光源系统作为光催化性能测试核心设备。仪器稳定长效的光源输出性能、灵活可调的滤光片模组，为实验搭建了精准可控、重复性优异的光学测试条件，有力保障了整套光催化体系性能表征数据的可靠性。
此项突破性成果充分彰显四川大学在光催化前沿方向的深厚科研积淀与顶尖研究实力。同时，该案例也直观体现MC镁瑞臣系列光催化科研设备对高水平原创基础研究的支撑价值。长期以来，MC镁瑞臣专注深耕光催化专用仪器研发制造，持续为全国高校及科研院所提供标准化、定制化测试硬件整体方案，已有多项高水平顶刊研究工作依托公司仪器顺利完成并发表。
第一作者：杨思恒 Woo Jin Byun 赵方明
通讯作者：周蒙教授 车伟博士 Jae Sung Lee教授 徐嘉麒博士
发表期刊：Advanced Materials
影响因子(IF): 26.8 (2025年)
实验方向：光催化CO2还原
发表单位：四川大学陈华 李瑞祥课题组
MC-PF300C
UiO-66制备：在典型的合成过程中，将ZrCl4 (53mg，0.23 mmol) 和对苯二甲酸(34 mg，0.23mmol) 溶解在10mL DMF中，然后加入1～3 mL乙酸作为调节剂来控制结晶过程。然后通过超声处理上述混合物10min。将所得无色溶液转移到50 mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，密封并在120 °C下进一步加热24h。最后，通过离心收集白色固体，用去离子水和乙醇彻底洗涤数次以去除残留物，然后在60 °C下真空干燥过夜以进行进一步表征。
UiO-66/Co9S8复合光催化剂制备：在典型的合成过程中，在搅拌下，将50mg合成的UiO-66纳米颗粒分散到含有40mg Co(Ac)2·4H2O和30mg L-半胱氨酸的10mL DMF中30min。然后将所得混合物转移到50mL聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封并在180 °C下进一步加热24h。冷却至室温后，通过以8000rpm离心6min来分离黑色粉末，并分别用去离子水和乙醇洗涤三次。丢弃上清液后，将最终产物在60 °C下真空干燥过夜，以进行进一步表征。使用类似的方法在没有UiO-66的情况下制备Co9S8。
产品运行及样品配置图片：
平均产量、产率：红外光下CH4的平均产生速率25.7 μmol g−1 h−1
最高产量、产率：红外光下CH4的最高产生速率30.6 μmol g−1 h−1
光催化CO2还原制备高价值化学品是缓解气候变化的一种有吸引力的方法，但利用红外光选择性生产特定产物仍面临巨大挑战。因此，设计了UiO-66/Co9S8复合材料，以结合金属光催化剂与多孔CO2吸附剂在红外光驱动下实现CO2向CH4转化的优势。Co9S8的金属特性赋予UiO-66/Co9S8优异的红外光吸收能力，而有限元模拟表明UiO-66能显著提升其局部CO2浓度。结果表明，单独使用Co9S8或UiO-66均未表现出明显的红外光光催化活性，而UiO.66/Co9S8则展现出卓越活性：在红外光照条件下，UiO-66/Co9S8上的CH4生成速率可达25.7μmol g-1 h-1，选择性高达约100%，优于同类反应条件下已报道的大多数催化剂。X射线吸收精细结构光谱证实了两种不同的钴位点的存在，并确认了Co9S8中存在金属钴─钴键。能级图分析和瞬态吸收光谱表明，对于UiO-66/Co9S8体系，CO2的还原主要发生在Co9S8上；而密度泛函理论计算则证明高电子密度的Co1位点是关键活性位点，其对*CO进一步质子化的能垒较低，从而实现了对CH4的超高选择性。
利用太阳能将二氧化碳（CO2）和水转化为燃料（例如CH4、甲酸、CH3 CH2OH等）被认为是缓解当前全球气候变化的一种前景广阔的方法。迄今为止，已开发出多种用于CO2还原反应（CO2RR）的光催化剂，包括金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属-有机框架材料（MOF）以及非金属材料（如氧化石墨烯、碳氮化物）。然而，大多数光催化剂主要吸收紫外线和可见光，而占太阳光谱约50%的红外光却无法被有效利用。另一个重大挑战是控制CO2RR反应的选择性以获得单一产物。在由CO2RR反应产生的多种产物中，甲烷(CH4)可替代广泛用作交通运输燃料的天然气。
以及工业/家庭供暖领域。因此，选择性地将CO2转化为CH4具有重要意义。然而，CO2光还原制备甲烷是一个典型的多电子还原过程，换言之，这是一个动力学上不利的过程。相比之下，作为双电子还原产物的CO在CO2光还原中更易获得，这降低了其对CH4的选择性。为提高CH4的选择性，已开发出多种策略，包括构建双金属位点对、形成异质结、元素掺杂、单原子策略等。遗憾的是，实现高效且选择性的CO2向CH4的光还原反应仍十分困难。此外，这些传统体系依赖于紫外和可见光，在红外光照射下CO2向CH4的转化鲜有报道。
要实现红外光驱动的光催化反应，催化剂的能带边缘必须精确调节以匹配CO2还原和水氧化的势能，同时能带间隙不能过宽以免无法利用低能量红外光。大量研究致力于实现红外光驱动的CO2光还原。例如，Feng课题组设计了超薄Cu(SO4(OH)6)纳米片，该材料可通过基于d-d轨道跃迁的级联电子转移过程实现红外光驱动的CO2光还原。然而在已报道的方法中，构建窄带隙光催化剂是最直接的方式。金属硫化物具有高载流子浓度和适宜的能带间隙，在红外光驱动的CO2还原方面表现出优异性能。例如Liang等人。通过红外光照射，在金属CoN多孔原子层上实现了CO2向CO的100%选择性光催化还原。催化剂的金属特性使其具有优异的红外光光催化活性。
镍黄铁矿型(Pentlandite)材料是一类具有高M/S比值的过渡金属硫族化合物（MxSy）。其立方晶格结构中存在独特的金属-金属相互作用，导致其表现出窄带隙和良好导电性等金属特性。Co9S8是典型的镍黄铁矿型(Pentlandite)材料，具有窄带隙和丰富的表面钴原子，为催化反应提供了充足的活性位点。此外，CO2的吸附是CO2还原的初始步骤。遗憾的是，目前报道的大多数光催化剂对CO2亲和力较弱，不利于高效还原CO2。为实现利用红外光高效选择性还原CO2生成CH4的目标，亟需构建一种同时具备精确调控能带结构、活性位点及高CO2吸附能力的新型光催化剂。
在此，我们设计了一种复合光催化剂，其金属Co位点分散于UiO-66基底上（UiO-66/Co9S8），以实现高效的红外光驱动CO2向CH4的转化。
无需任何牺牲剂和助催化剂（方案1）。金属Co9S8因其窄带隙而具有宽泛的光谱响应范围，而UiO-66是一种基于锆的MOF材料，具有极高的比表面积。将Co9S8负载于UiO-66表面后，Co9S8的分散性得以提升，从而加速反应进程；同时，在UiO-66的作用下，该复合光催化剂对CO2的亲和力显著增强。增强的CO2吸附能力导致局部表面CO2浓度升高，并通过有限元法（FEM）模拟证实，这进一步提升了UiO-66/Co9S8的CO2光还原性能。此外，为实现CO2向CH4转化所需的8电子还原过程，催化剂中的活性位点必须具备积累大量光生电子的能力。根据结构分析，Co9S8 Co1位点以四面体配位方式存在且具有较高的电子密度；而Co2位点则以八面体配位方式存在且电子密度相对较低。值得注意的是，相邻Co1原子之间的距离与钴金属中Co─Co键的距离相近，这解释了Co2p X射线光电子能谱（XPS）中出现的金属态Coδ+信号。同步辐射硬X射线吸收精细结构谱（XAFS）谱图也证实了两种不同钴位点的存在，并有力证明了Co9S8中存在金属态Co─Co键。能级图分析表明，UiO-66无法被红外光激发，仅金属态Co9S8能够产生光诱导载流子。根据飞秒时间分辨瞬态吸收实验结果… … (fs-TA光谱表明，Co9S8与UiO-66之间未观察到明显的电荷转移，因此UiO-66/Co9S8复合材料中的Co9S8才是实现CO2还原反应的真正活性组分。fs-TA光谱还证明UiO-66/Co9S8具有较长的载流子寿命（>2 ns），这为其高活性提供了保障。密度泛函理论（DFT）计算证实，Co9S8中富电子的Co1位点能够通过稳定中间体COOH、CO和CHO，降低CO2光还原为CH4的能垒，这有利于中间体进一步加氢生成CH4。此外，光热效应也对提升光催化活性起着关键作用。因此，UiO-66/Co9S8表现出较高的CH4产率。
（25.7 μmol g-1 h-1），在红外光照射下具有高选择性（约100%），而UiO-66和Co9S8均未表现出明显的红外活性。值得注意的是，UiO-66/Co9S8的性能在全光谱光照下可进一步提升，CH4释放速率最高可达240.9 μmol g-1 h-1，约为纯Co9S8（16.0 μmol g-1 h-1）的15倍。
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