NSR综述：COFs基异质结光催化剂

本文要点：

1. 光催化作为一种可将太阳能转化为化学能的可持续、绿色且低成本的技术，在解决环境污染与能源短缺问题方面展现出巨大潜力。然而，半导体材料中光生电荷的快速复合制约了其实现高效光催化活性的可能。

2. 异质结（包括无机-无机、有机-无机及有机-有机异质结）已被证明是抑制电荷复合的有效策略。凭借共价有机框架材料高结晶度、结构可调和孔隙系统可调控的特性，基于COF的异质结光催化剂在促进太阳能-能源转化方面显示出诱人前景，其通过改善电荷分离效率、增强光捕获能力并促进光氧化还原反应实现性能提升。

3. 本文系统综述了COF基异质结光催化剂的最新进展，涵盖其作用机理、分类体系、合成策略及应用领域，重点剖析了异质结的协同效应、电荷转移机制以及构效关系。

4. 最后，对COF基异质结光催化剂面临的挑战与发展前景进行了探讨。本文旨在为未来开发高效COF基异质结光催化剂提供有益启示。

   
   

   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.

   总结与展望

   总之，基于COF的异质结光催化剂因其长程有序结构、可调孔隙率、大比表面积和高效电荷分离能力，在太阳能-化学能转化方面展现出巨大潜力。本综述探讨了COF基异质结光催化剂的机理、分类及合成策略。单体分子的定制化设计允许精确调控孔隙率和催化活性等性质，以满足COF基异质结的特定功能需求。此外，本文总结了COF基异质结在光催化领域的最新进展，涵盖污染物光降解、光催化产氢、二氧化碳还原、过氧化氢合成及有机合成等应用，重点阐释了COF与其他支撑材料在构效关系方面的协同效应。尽管COF基异质结的构建提升了载流子分离效率，其发展仍处于早期阶段。构建高效、稳定的COF基异质结光催化剂仍面临诸多挑战（图10）：

   首先，亟需设计能在特定反应条件（如极端pH、高温环境）及长时间光催化运行下保持稳定的材料，以确保其长期高活性。COFs本身具有结构设计灵活性，当与其他材料结合时，可通过策略优化提升稳定性与光催化效率。理论计算在优化接触界面、减少实验工作量及预测杂化材料稳定性方面发挥关键作用。计算模型与结构设计的结合有望为构建更稳定高效的光催化体系开辟道路。此外，面向规模化应用的COF基光催化剂设计还需重点考虑可扩展性与经济可行性，应聚焦可规模化合成的制备方法，同时优化材料合成成本，以确保其经济性、竞争力和可持续性。

   实现杂化光催化剂生长的精准控制是关键挑战之一。杂化材料合成中的异质结均匀性问题尤为突出，特别是对于通常呈微米级块状堆叠的COFs材料而言。这些结构在厚度和成分上的差异会导致催化性能的不稳定。因此，必须实现对材料生长的精准调控，例如利用COFs固有孔隙限域生长。实时监测技术（如原位透射电镜和X射线衍射）可为生长动力学提供重要信息，从而实现材料形貌与组成的精确调控，优化其光催化性能。

   深入理解有机-无机杂化体系的光催化基础过程。目前对有机-无机异质结构中光催化基础过程的分子层面认知尚未深入。理解异质结内部机制对于阐明构效关系至关重要。通过研究官能团排布、孔径尺寸及界面相互作用等影响电荷载流子动力学和光催化效率的因素，可以明确实现高效电荷转移的关键设计参数。原位光谱学与计算模型等先进技术将为揭示电荷转移动力学与反应路径提供新见解。

   探索高附加值化学合成具有重要意义。异质结光催化材料的发展实现了光生载流子的空间分离与定向迁移，同时保留了可用于氧化还原反应的有效电子与空穴。该方法促进了光催化还原反应与有机氧化反应的耦合，提升了原子经济性与太阳能-化学能转化效率。从实际应用角度看，光催化还原耦合有机升级反应（如药物中间体合成、气体合成及液体燃料制备等）前景广阔，但该领域仍处于发展初期。反应类型有限、催化活性低、目标产物选择性差等挑战亟待解决。整合氧化与还原活性位点可增强催化效率与选择性，实现更复杂的反应路径并促进更广泛底物的有效转化。其中，还原产物与有机底物的原位利用尤为关键。例如，开发将CO₂转化为高附加值产物的多级串联转化系统，可能带来显著的经济与环境效益。

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

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