一种用于二氧化碳电催化生产乙烯的非金属有机框架

使用温室气体CO 2作为化工原料不仅可以减少排放，还可以减少化石原料的消耗。一种新型的无金属有机骨架可以使从CO 2电催化生产乙烯(一种主要化学原料)成为可能。

正如研究小组在《应用化学国际版》杂志上报道的那样，具有特殊电子结构的氮原子对催化剂起着至关重要的作用。

乙烯(乙烯，C 2 H 4)是许多产品(包括聚乙烯和其他塑料)的重要起始材料。工业上乙烯是通过高能裂解和精馏化石原料生产的。

CO 2电化学转化为乙烯将是减少CO 2排放同时节省能源和化石资源的有前途的途径。

CO 2非常稳定，很难引发反应。通过使用电力和催化剂，目前可以将其转化为C 1化学品，例如甲醇和甲烷。

生产乙烯的另一个挑战是两个碳原子之间必须形成键。此前，这一点只能通过铜催化剂实现。无金属电催化将是有利的，因为金属是成本因素并且可能导致环境问题。

中国武汉大学的龚承涛和柯福生领导的团队现已开发出一种用于将CO 2转化为乙烯的无金属电催化剂。该催化剂基于含氮共价有机骨架(COF)。

COF 是一种新型多孔、结晶、纯有机材料，具有明确的拓扑结构。与金属有机框架(MOF)相比，它们不需要金属离子将它们固定在一起。它们的孔径和化学性质可以通过选择结构单元在很大范围内调节。

新型 COF 含有具有特殊电子结构(sp 3杂化)的氮原子作为催化活性中心。这些 sp 3氮中心通过缩胺键(两个氨基与一个碳原子结合)将各个结构单元结合到框架中。

与具有经典亚胺键(-C=N-)的COF相比，缩醛胺COF对结构单元之间键的长度和角度有严格的要求，这导致框架通过闭环形成。

研究人员通过使用哌嗪(由四个碳原子和两个氮原子组成的六元环)和由三个芳香六元碳环组成的结构块找到了合适的组合。当用作电极时，他们的新型 COF 表现出高选择性和高性能(法拉第效率高达 19.1%)，可用于生产乙烯。

缩醛胺 COF 的成功归功于度的活性 sp 3氮中心，它们既能非常有效地捕获 CO 2，又能传输电子。这导致高浓度的激发中间体可以进行 C–C 偶联。

相比之下，对多种含有 sp 2氮而非 sp 3 的亚胺连接 COF 进行了类似的测试，结果没有产生乙烯。这证明了适当的电子配置对于 CO 2电化学还原为乙烯的重要性。