在自然界中，太陽(yáng)能通過(guò)光合作用和緩慢的地球化學(xué)石化過(guò)程儲(chǔ)存在化石燃料中。雖然無(wú)機(jī)光伏器件可以實(shí)現(xiàn)20%以上的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換率，但是能夠?qū)⒂谰眯詺怏w（CO₂、O₂等）固定到增值液體燃料中的非生物光合作用系統(tǒng)在生產(chǎn)率和選擇性方面仍然面臨挑戰(zhàn)。一是動(dòng)力學(xué)緩慢的挑戰(zhàn)。均相催化劑具有高度分散和易接近的活性中心，以及精確定制的特定反應(yīng)結(jié)構(gòu)，但是產(chǎn)物分離或長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。而傳統(tǒng)的非均相催化劑具有較強(qiáng)的產(chǎn)物分離，但是活性表面積較小和活性位點(diǎn)的可接近性有限。其中，單原子催化劑（SACs）不僅可以顯著提高催化中心的可達(dá)性和利用率，而且有利于產(chǎn)物的分離。雖然單原子光催化劑（SAPCs）可有效的將CO₂還原為CO，但是仍然需需系統(tǒng)的研究以揭示在單原子位點(diǎn)上還原CO₂產(chǎn)生具有更高選擇性和效率的廣泛的增值產(chǎn)品的機(jī)理。二是氣-液-固反應(yīng)界面進(jìn)一步限制了永久性氣體的還原效率。不溶性穩(wěn)定氣體分子在三相催化界面上的光還原面臨以下挑戰(zhàn)：1）動(dòng)力學(xué)受阻的擴(kuò)散；2）緩慢的表面吸附；3）氣體反應(yīng)物的低效活化和催化轉(zhuǎn)化。制備多孔金屬有機(jī)骨架（MOFs）等納米顆粒堆積膜，以水蒸氣為質(zhì)子源，在氣-固界面上催化氣體的光催化還原，可以避免催化劑表面被水浸沒(méi)而部分解決了傳質(zhì)限制。然而，這類體系仍然存在著緩慢的傳質(zhì)過(guò)程的問(wèn)題。因此，先進(jìn)的光催化系統(tǒng)應(yīng)包括高度分散的活性位點(diǎn)、降低反應(yīng)能壘和高通量反應(yīng)界面，其中大的表面積促進(jìn)氣體反應(yīng)物向活性位點(diǎn)的擴(kuò)散。

近日，北京理工大學(xué)王博教授和殷安翔副教授、中科院上海應(yīng)用物理研究所司銳研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了透氣性金屬有機(jī)骨架（MOF）薄膜可以改變金屬單原子（SAs）的電子結(jié)構(gòu)和催化性能，以促進(jìn)氣體分子（CO₂、O₂等）的擴(kuò)散、活化和還原，并在可見(jiàn)光與溫和條件下生產(chǎn)液體燃料。在可見(jiàn)光照射下，以單原子銥（Ir SAs）為活性位點(diǎn)，缺陷工程的MOF（如活化NH₂-UiO-66）（Ir SAs/MOF）顆粒在420 nm處能將CO₂還原為HCOOH，其表觀量子效率（AQE）為2.51%。通過(guò)促進(jìn)氣體在多孔氣-固界面上的擴(kuò)散，SA/MOF薄膜可將濕潤(rùn)的CO₂氣體直接轉(zhuǎn)化為HCOOH，且具有接近100%的選擇性，在420 nm處AQE為15.76%。此外，作者改為負(fù)載單原子鈀（Pd SAs）還可以應(yīng)用于光催化O₂轉(zhuǎn)化為H₂O₂，表明該催化劑和反應(yīng)界面設(shè)計(jì)具有廣泛的適用性。SA/MOF薄膜的簡(jiǎn)便制備有助于此類光催化裝置的規(guī)?；?，并且水蒸氣的最少使用節(jié)省了太陽(yáng)能資源豐富的干旱地區(qū)的淡水成本。該工作提供了橋接光催化位點(diǎn)的通用和可編程策略，以及反應(yīng)界面設(shè)計(jì)，以解決三相光催化反應(yīng)中傳質(zhì)和催化轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性。單原子和MOF化學(xué)中功能強(qiáng)大功能提供了幾乎無(wú)限的可能性來(lái)設(shè)計(jì)SA/MOF薄膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，有助于更廣泛的適用性。