通讯作者：Erwin Reisner

通讯单位：剑桥大学化学系

论文DOI：10.1002/adma.202513457

近日，英国剑桥大学化学系Erwin Reisner团队的研究人员Suvendu Karak博士、刘永鹏博士、Ariffin Bin Mohamad Annuar构建了一种共价有机框架（COF）与氮化碳Z-型异质结材料，实现了可规模化的太阳能重整。此项研究成果以“Covalent Organic Framework and Carbon Nitride Composite for Scalable Solar Reforming”为题发表于国际顶级期刊《先进材料》（影响因子26.8）。该器件的设计构建基于Suvendu Karak博士与刘永鹏博士近三年在多孔材料与光催化领域发表的系列研究成果（Energy Environ. Sci.2025, 18, 7023；Angew. Chem.2025, 64, e202424222；J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 29865；Adv. Mater.2022, 34, 2202751；J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 17661）。

太阳能重整技术利用太阳光驱动废弃物高值化转化，是循环化学的一条重要路径。然而，现有系统普遍依赖强腐蚀性反应环境，存在可扩展性差、加工适应性低以及氧化性废物价值化选择性不足等问题，严重制约其实际应用。

本研究成功开发了一种模块化复合光催化剂体系。该体系通过结晶性共价有机框架（COF）、氰胺功能化氮化碳（CNx）、氧化铟锡（ITO）与镍基分子催化剂（NiME）的协同作用，实现了在可见光驱动、中性pH水溶液条件下，同步进行选择性废弃物重整与氢气制备。其中，COF的多孔结构产生纳米限域效应，可特异性将多元醇和糖类氧化转化为甲酸盐；CNx在NiME辅助下高效催化氢气析出反应；ITO则作为固态电子介体，有效耦合了氧化与还原半反应。基于该COF|ITO|CNx|NiME材料优异的加工性能，研究团队成功制备出可独立工作的“光叶片”与“光面板”器件，并分别集成于单窗口及多窗口模块化反应器中。户外真实阳光下的预处理塑料转化实验验证了该技术的可行性，为利用结构可调的有机半导体材料实现规模化太阳能重整技术提供了切实可行的路径。

如图1所示，该Z型光催化剂由COF和CNx半导体、ITO电子介体以及NiME析氢催化剂构成。其工作原理为：塑料与葡萄糖的氧化反应发生在COF的价带，而水的还原反应则在负载有NiME的CNx导带上进行，ITO作为固态电子桥连接两个反应半区。

图1. Z型COF-CNx光催化剂示意图及形貌表征

COF-CNx异质结的关键材料特性由多种表征技术所确定（图2）：X射线衍射（XRD）证明了其良好的结晶度；氮气吸脱附测试揭示了其高比表面积与特定的孔径分布；扫描电子显微镜（SEM）直观展现了其微观形貌；而X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线谱（EDS）则共同证实了材料的预期元素组成与均匀分布。

图2. Z型COF-CNx异质结的材料表征

对照实验证实，引入ITO作为电子介体是提升Z型光催化析氢效率的关键。当以塑料单体乙二醇为反应底物时，该异质结系统表现出最佳性能，产氢量达到最高（图3）。

图3. Z型COF-CNx异质结在光催化析氢反应的对照实验和底物选择

当作为光电极时，COF-CNx异质结产生了高达100 微安每平方厘米的光电流密度。这一优异的性能得益于NiME分子催化剂的引入，光电化学阻抗谱（PEIS）证实其有效降低了体系的电子转移电阻（图4）。

图4. 反应机理表征

户外实验成功验证了该光面板的实际应用能力：在自然太阳光照下，它可持续地将塑料单体重整为氢气与甲酸盐（图5）。

图5. 户外实验

本研究开发了一种模块化COF|ITO|CNx平台，可实现规模化太阳能驱动塑料升级回收，适用于模拟及自然光照。通过设计从独立叶片到玻璃基光面板的宏观结构，该系统即使在弱光条件下也能实现高效、稳定的光重整反应，且面积效率高。其多孔光催化剂体系具有固有纳米限域效应，可促进选择性产物生成，解决了多相太阳能催化的核心难题。该策略通过构建薄层、多孔、可加工的光催化薄膜，突破了太阳能化学技术规模化的关键限制——特别是光穿透、传质和机械稳定性方面的制约。通过可控的光面板制备与反应器模块化设计，本研究为构建光驱动化学面板提供了通用蓝图，可灵活适配不同基底、废弃物流及催化反应。未来，采用其他功能化聚合物有机光催化剂将能调控光吸收、电荷传输与催化性能，有望把该模块化光重整平台拓展至CO2增值化及其他化学反应领域。