由双(联吡啶)金属功能化铅卤框架驱动的近红外光催化CO2还原生成C2烃类

将碳污染变为有用燃料

到达地球的大部分阳光并非以可见光形式，而是以不可见的近红外辐射到来。然而，现有的太阳能驱动化学难以有效利用这种低能量光，尤其是在将二氧化碳（CO2）转化为多碳燃料等困难反应中。本研究报道了一类新型固体材料，它们能够吸收近红外光并直接将CO2转化为具有价值的双碳烃类（如乙烯和乙烷），为未来人工光合作用技术更完全地利用太阳能谱带提供了方向。

为什么近红外光很重要

化石燃料燃烧产生的CO2排放是气候变化的主要驱动因素，超过130个国家承诺实现碳中和。利用阳光将CO2重新转化为富能分子、闭合碳循环，是一种吸引人的策略。但该策略面临两个主要障碍。首先，太阳能中约一半的能量位于近红外区，大多数光催化剂无法高效吸收这部分光。其次，即便实现了CO2的还原，产物通常是单碳分子（如一氧化碳或甲烷），而非工业更需要的多碳（C2+）烃类。这里描述的新材料旨在同时解决这两个问题：既收集近红外光，又促进两个含碳片段结合形成C–C键的关键步骤。

构建光采集晶体

研究人员以杂化铅卤材料为起点——这类材料已知具有强光吸收和良好电荷传输特性——并将其工程化为鲁棒的三维框架。他们用由铁、钴或镍为中心的大型“天线”分子连接微小的铅-卤离子簇（氯化物、溴化物或碘化物）。这些基于联吡啶单元的有机天线在吸收光并保持激发电子足够长的时间以供化学反应方面表现优异。通过将金属卤簇与天线用坚固的羧酸盐键连接，团队制备出九种单组分晶体框架，在各种溶剂、不同酸度范围内以及约220°C下仍保持稳定。

捕获更多太阳光谱

光学测量显示，九种框架均能吸收从紫外到可见并延伸到近红外的光，吸收波长可达约1150纳米。基于铁的版本具有最窄的带隙，意味着它们能够利用能量最低的光子。详细的电子学研究和计算显示，有机天线主要提供初态电子，而铅-卤单元接受激发电子。光照时，电子从联吡啶单元迁移到铅位点，有利于电荷分离并抑制浪费性的复合。碘化物框架更为突出：溶剂分子与铅碘簇的结合方式在局部产生不对称环境，使邻近铅位点带电极化，为高效的C–C键形成奠定基础。

从气体到双碳燃料

在光催化测试中，将材料悬浮于CO2饱和溶液并用氙灯照射。氯化物和溴化物版本主要产出一氧化碳和甲烷，未检出明显的C2产物。相比之下，碘化物框架，尤其是基于铁的TJU‑60(I)‑Fe(tpy)2，更倾向生成双碳烃：在全光谱照射下，它们产生了可观的乙烯和乙烷，并表现出高选择性。即便在严格的近红外光（波长大于700 nm）下，光子能量更低，同一材料仍将CO2转化为以C2烃为主的产物混合物，在电子基准上C2选择性可达86%。用同位素标记的13CO2进行的对照实验确认了产物中碳均来自CO2，重复反应循环表明晶体保持了结构，仅释放微量铅。

材料如何引导反应

为理解为何碘化物框架表现迥异，团队将先进光谱学与量子化学建模相结合。他们发现，光吸收后电子从联吡啶天线迁移到铅碘簇，并在两个位于邻近但电荷不等的铅位点上积累。CO2分子以弯曲、活化的形式结合到这些位点上，键被拉伸、处于易反应状态。反应过程中的红外测量揭示了一系列短暂中间体，其中包括一个两个碳基片段结合形成的*COCOH物种——这是首次C–C键形成的标志。计算显示，极化的铅位点对反应片段都有稳定作用并降低了该耦合步骤的能垒，从而将反应引导向双碳产物而非停留在单碳气体。

这对太阳燃料意味着什么

简而言之，研究人员构建了一个像微型太阳炼厂一样的晶体，既能收集可见光也能捕获较弱的近红外辐射，并将这些能量用于将两个碳原子从CO2拼接在一起。通过精确塑造铅原子周围的局部电荷分布，他们将被动的光吸收体转变为促进碳–碳键形成的活性位点。尽管这些材料尚未达到工业部署水平——其含铅成分需要谨慎处理——但它们展示了一个有力的概念：通过巧妙的分子设计，有可能利用几乎完整的太阳谱并选择性地将温室气体转化为更复杂、更富能的燃料。

引用: Li, Y., Wang, Z., He, X. et al. Near-infrared-driven photocatalytic CO₂ reduction to C₂ hydrocarbons by bis(terpyridine)-metal functionalized lead halide frameworks. Nat Commun 17, 1743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68450-z

关键词: CO2还原, 近红外光催化, 人工光合作用, 铅卤框架, C2烃类