NSR綜述：COFs基異質結光催化劑

本文要點：

1. 光催化作為一種可將太陽能轉化為化學能的可持續、綠色且低成本的技術，在解決環境污染與能源短缺問題方面展現出巨大潛力。然而，半導體材料中光生電荷的快速復合制約了其實現高效光催化活性的可能。

2. 異質結（包括無機-無機、有機-無機及有機-有機異質結）已被證明是抑制電荷復合的有效策略。憑借共價有機框架材料高結晶度、結構可調和孔隙系統可調控的特性，基于COF的異質結光催化劑在促進太陽能-能源轉化方面顯示出誘人前景，其通過改善電荷分離效率、增強光捕獲能力并促進光氧化還原反應實現性能提升。

3. 本文系統綜述了COF基異質結光催化劑的最新進展，涵蓋其作用機理、分類體系、合成策略及應用領域，重點剖析了異質結的協同效應、電荷轉移機制以及構效關系。

4. 最后，對COF基異質結光催化劑面臨的挑戰與發展前景進行了探討。本文旨在為未來開發高效COF基異質結光催化劑提供有益啟示。

   
   

   Figure 1.(a) Schematic illustration of the basic principle and energy diagrams of photoredox reaction. Schematic illustra- tion of heterojunction types according to (b) the types of constituent materials and (c) the distinct configurations of band alignment.

   
   

   Figure 2.(a) The advantages of COF-based heterojunction photocatalysts. (b) Timeline for the development of representative COF-based heterojunction photocatalysts. From left: NH2 -MIL-125(Ti)B-CTF [62 ]; Copyright 2019, Elsevier. α-Fe2 O3 /TpPa-2- COF [63 ]; Copyright 2020, The Royal Society of Chemistry. g-C3 N4 (NH)/COF [64 ]; Copyright 2022, Elsevier. TATF-COF/PUP [65 ]; Copyright 2022, Elsevier. MOF-902@CTF-Th [66 ]; Copyright 2023, Wiley-VCH. COFIS [67 ]; Copyright 2024, Wiley-VCH. TpPa-1/MIS [68 ]. Copyright 2025, Wiley-VCH.

   
   

   Figure 3.Summary of materials used to construct COF- based S-scheme heterojunctions.

   
   

   Figure 10.Challenges and outlook of COF-based heterojunctions.

   總結與展望

   總之，基于COF的異質結光催化劑因其長程有序結構、可調孔隙率、大比表面積和高效電荷分離能力，在太陽能-化學能轉化方面展現出巨大潛力。本綜述探討了COF基異質結光催化劑的機理、分類及合成策略。單體分子的定制化設計允許精確調控孔隙率和催化活性等性質，以滿足COF基異質結的特定功能需求。此外，本文總結了COF基異質結在光催化領域的最新進展，涵蓋污染物光降解、光催化產氫、二氧化碳還原、過氧化氫合成及有機合成等應用，重點闡釋了COF與其他支撐材料在構效關系方面的協同效應。盡管COF基異質結的構建提升了載流子分離效率，其發展仍處于早期階段。構建高效、穩定的COF基異質結光催化劑仍面臨諸多挑戰（圖10）：

   首先，亟需設計能在特定反應條件（如極端pH、高溫環境）及長時間光催化運行下保持穩定的材料，以確保其長期高活性。COFs本身具有結構設計靈活性，當與其他材料結合時，可通過策略優化提升穩定性與光催化效率。理論計算在優化接觸界面、減少實驗工作量及預測雜化材料穩定性方面發揮關鍵作用。計算模型與結構設計的結合有望為構建更穩定高效的光催化體系開辟道路。此外，面向規模化應用的COF基光催化劑設計還需重點考慮可擴展性與經濟可行性，應聚焦可規模化合成的制備方法，同時優化材料合成成本，以確保其經濟性、競爭力和可持續性。

   實現雜化光催化劑生長的精準控制是關鍵挑戰之一。雜化材料合成中的異質結均勻性問題尤為突出，特別是對于通常呈微米級塊狀堆疊的COFs材料而言。這些結構在厚度和成分上的差異會導致催化性能的不穩定。因此，必須實現對材料生長的精準調控，例如利用COFs固有孔隙限域生長。實時監測技術（如原位透射電鏡和X射線衍射）可為生長動力學提供重要信息，從而實現材料形貌與組成的精確調控，優化其光催化性能。

   深入理解有機-無機雜化體系的光催化基礎過程。目前對有機-無機異質結構中光催化基礎過程的分子層面認知尚未深入。理解異質結內部機制對于闡明構效關系至關重要。通過研究官能團排布、孔徑尺寸及界面相互作用等影響電荷載流子動力學和光催化效率的因素，可以明確實現高效電荷轉移的關鍵設計參數。原位光譜學與計算模型等先進技術將為揭示電荷轉移動力學與反應路徑提供新見解。

   探索高附加值化學合成具有重要意義。異質結光催化材料的發展實現了光生載流子的空間分離與定向遷移，同時保留了可用于氧化還原反應的有效電子與空穴。該方法促進了光催化還原反應與有機氧化反應的耦合，提升了原子經濟性與太陽能-化學能轉化效率。從實際應用角度看，光催化還原耦合有機升級反應（如藥物中間體合成、氣體合成及液體燃料制備等）前景廣闊，但該領域仍處于發展初期。反應類型有限、催化活性低、目標產物選擇性差等挑戰亟待解決。整合氧化與還原活性位點可增強催化效率與選擇性，實現更復雜的反應路徑并促進更廣泛底物的有效轉化。其中，還原產物與有機底物的原位利用尤為關鍵。例如，開發將CO?轉化為高附加值產物的多級串聯轉化系統，可能帶來顯著的經濟與環境效益。

   https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf462

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