共价有机框架(COF)材料因其独特的结构和物理化学特性成为一种很有前景的光催化剂。为了提高其光催化性能，大量的金属单原子(MSA)被负载在COF上以促进分子吸附。然而，吸附性能增强的内在机理和主导因素尚未被深入揭示。本文通过在单层TpBpy-COF中分别引入Fe、Co、Ni和Cu单原子，构建了4个MSA-COF体系。利用密度泛函理论计算研究了不同金属原子修饰对COF的电子性质和O₂吸附的影响。结果表明，金属原子与吡啶氮原子成键，形成稳定的MSA-COF结构。金属原子的引入减小了COF的带隙，抬高了COF的费米能级。此外，随着金属原子序数的增加，金属原子的d轨道逐渐向低能级方向移动，表现为d带中心负移。金属原子负载后，COF对O₂的弱物理吸附转变为强化学吸附，形成了M―O_ads键，并发生强烈的电子转移。有趣的是，吸附能与金属原子的d带中心呈现出很强的相关性。该结果可以从吸附体系反键轨道的电子占据情况的角度来理解。本研究为通过调节金属原子的d带中心来优化MSA-COF上的分子吸附提供了一种可行思路。

光催化氧还原反应(ORR)为过氧化氢(H₂O₂)的生产提供了一种温和且经济高效的方法。然而，催化剂的快速载流子复合和氧气吸附能力不足严重制约了其实际应用。针对上述问题，本研究提出了一种协同策略，首先通过制备富含S空位的CdIn₂S₄(S_v–CIS)促进电荷分离，随后负载纳米金颗粒(Au–S_v–CIS)以增强O₂吸附能力。结果表明，优化后的Au–S_v–CIS在10%乙醇/水溶液中的H₂O₂产率显著提高至2542 μmol·h⁻¹·g⁻¹，分别是单体CIS和S_v–CIS的12.8倍和1.7倍。采用光致发光光谱、时间分辨光致发光光谱、瞬态光电流响应、电化学阻抗谱和飞秒瞬态吸收光谱等证明了Au–S_v–CIS具有显著改善的电荷分离效率。程序升温脱附实验和密度泛函理论计算揭示了Au–S_v–CIS增强的氧气吸附特性。本研究为实现高效的太阳能-化学能转化提供了新的设计思路。

通过光催化将CO₂转化为高附加值碳氢化合物在可持续能源领域具有巨大潜力，但实现高活性和选择性仍然具有挑战性。本文中，一种新型的TiO₂/CdS异质结光催化剂在光催化CO₂还原中表现出优异的性能。优化后的催化剂的CH₄产率比纯TiO₂提高了4.2倍，且对CH₄的选择性高达65.4% (CO为34.6%)。其增强的活性源于独特的形貌，促进了CO₂的吸附和传质，以及CdS与TiO₂之间形成紧密的S型异质结，这提高了电荷分离效率，同时保持了强氧化还原电位。并且，飞秒瞬态吸收光谱(fs-TAS)与原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)相结合，为光催化二氧化碳还原路径提供了直接证据，并确定了CdS上的硫位点是稳定*CH₃O、*CHO和*CO中间体的关键，从而促进选择性生成CH₄。此外，基于密度泛函理论(DFT)的理论计算进一步补充了实验结果。计算证实了S型异质结的电子结构特征，揭示了原子尺度上的能级和电荷转移机制。这不仅加深了我们对光催化过程的理解，还为进一步优化光催化剂设计提供了理论基础。总体而言，我们的工作展示了TiO₂/CdS异质结光催化剂在光催化CO₂还原中的优异性能。