综述：从氮化碳到共价有机框架：光催化CO2还原的机遇与前景

这篇综述系统阐述了聚合物基光催化剂（CNs/CTFs/COFs）在光催化CO2还原反应（PCO2RR）中的研究进展，重点探讨了能带调控、异质结设计（Type-II/Z/S-scheme）、非金属位点工程、单原子催化（SACs）等策略，为开发高效太阳能燃料转化系统提供了理论指导和技术路线。

　　

光催化CO₂还原的研究进展

引言

大气CO₂浓度持续升高推动了对创新减排技术的需求。光催化CO₂还原反应（PCO₂RR）利用太阳能将CO₂转化为碳氢燃料，是实现碳循环的理想途径。以氮化碳（CNs）、共价三嗪框架（CTFs）和共价有机框架（COFs）为代表的有机聚合物光催化剂，因其可调带隙、大比表面积和优异的光吸收特性成为研究热点。

基础与开发进展

PCO₂RR涉及光生载流子分离、CO₂吸附活化和多电子转移等复杂过程。经济性分析显示，CO（-0.52 V）和CH₄（-0.24 V）等产物具有显著市场价值。历史沿革方面，从1834年首次合成氮化碳到2008年CTFs问世，聚合物光催化剂经历了从简单CNs到复杂框架材料的演变。

性能增强策略

• 异质结工程：S-scheme异质结通过内置电场实现高效电荷分离，如g-C₃N₄/BiVO₄体系CO产率提升至27.2 μmol g^-1 h^-1

• 缺陷调控：氮空位使C₃N₅的CO产率提高19倍

• 单原子修饰：Co-Ru双原子掺杂CNs实现CH₄选择性生成

• 结晶度优化：水热法制备的结晶PHI材料CO₂吸附量提升4倍

挑战与展望

当前面临光吸收范围窄（多数<700 nm）、量子效率低（平均<1%）等瓶颈。未来需通过数据驱动设计（如AI辅助COF合成）、开发无牺牲剂体系（如2N-COF膜在纯水中AQE达0.36%）等突破限制。在药物合成（如Pd@COFs催化噁唑烷酮制备）和太阳能燃料生产等领域的应用拓展，展现了聚合物光催化剂的工业化潜力。

该领域发展将依赖于多学科交叉创新，为碳中和目标提供关键技术支撑。