近期，国际权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）连续刊发了化学与分子科学学院柯福生团队在电化学合成和光化学合成方面取得系列进展。

乙烯是世界上最重要的化工原料之一, 主要依靠化石能源，通过高能裂解反应和精馏获得，由此产生的大量CO₂排放加剧了全球变暖。电催化CO₂还原反应（CO₂RR）生产高附加值乙烯（C₂H₄）有利于能源和环境的可持续发展，但绝大多数电催化剂都以金属铜为基础。那么，是否可能开发一种无金属电催化剂来实现高效的电催化CO₂RR制乙烯？近日，柯福生团队通过连接键工程在COF骨架中引入高密度sp³ N催化阵列，实现了无金属电催化剂高效电催化CO₂RR制乙烯。

人们注意到，氮位点作为非金属催化中心被证明具有非凡的电催化活性，而sp³杂化的氮位点比sp²杂化的氮位点具有更强的CO₂捕集能力。因此，设计高密度且有序的sp³ N的催化阵列有望实现无金属的高效的CO₂RR性能。柯福生团队以COF连接键工程为基础，通过在结晶微孔的共价有机框架（COF）材料中引入哌嗪连接基元，构建了一种新型的高密度sp³ N催化阵列。由于催化剂中高密度的sp³ N位点和结晶的多孔网络，实现了高效的CO₂捕集能力和高亲水性。因此，该哌嗪连接COF成功催化CO₂到乙烯的电化学合成。此研究不仅开发了一类新型无金属COF电催化剂来实现高效的电催化CO₂RR生产乙烯，还揭示了COF的连接键工程在突破催化瓶颈方面的潜力。相关成果发表在《德国应用化学》上，硕士研究生肖央和卢洁为共同第一作者，柯福生和龚成涛为共同通讯作者。

在光化学合成方面，他们联合香港大学化学系郭正晓课题组设计并合成了一种通过脲键延长的四羧基苯基卟啉配体，通过配位组装进一步得到以二价铜离子为节点的卟啉框架（TBUPP-Cu MOF）。独特的脲键位点与生物质衍生5-羟甲基糠醛（HMF）形成弱氢键，并协同苯基侧链和呋喃环之间的π-π堆积实现HMF的平面型吸附，实现HMF到2,5-呋喃二甲酸的高效转化。该工作不仅开发了新型的植入脲键卟啉基MOF材料，还揭示了独特的弱氢键吸附方式促进HMF氧化的反应动力学，建立了可持续和低成本的生物质转化生产可再生塑料单体的新途径。相关成果发表在《德国应用化学》上，2021届本科生张万章完成了新型的植入脲键卟啉基MOF材料的设计合成和表征、香港大学的张颖川完成光催化测试和分析、清华大学深圳研究院的张富鹏完成理论计算，三人为共同第一作者，柯福生和香港大学的郭正晓为共同通讯作者。

以上工作得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、武汉大学超算中心、学校科研公共服务条件平台的支持。

论文1链接：https://doi.org/10.1002/anie.202404738

论文2链接：https://doi.org/10.1002/anie.202402694