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随着核能、航天和石油化工等行业的发展，高价金属氧阴离子的处理与资源化回收已成为一项重要挑战。高铼酸盐（ReO4⁻）的标准氧化还原电位较低（E° = 0.51 V），采用传统热还原、电还原或光催化还原等方法往往面临能耗高、效率低、选择性差等问题。辐射催化技术利用水辐解产生的强还原性水化电子（eₐq⁻，E° = –2.87 V），为这类惰性阴离子的高效还原提供了新思路。
为此，实验室与北京大学王月、翟茂林及上海交通大学石伟群等合作，设计合成了一种具有限域活性位点的烯烃连接共价有机框架（COF）催化剂，实现了在γ射线辐照下高效、高选择性地将高铼酸盐（ReO4–）催化还原为二氧化铼（ReO2）。 相关研究成果以“Radiation-powered Catalytic Alchemy: 3e− Reduction of Perrhenate via Confined Active Sites in Covalent Organic Framework Nanoreactors”为题发表在在国际化学领域权威期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
研究团队通过理性设计，合成了一种具有高度共轭结构和明确有序孔道的烯烃连接共价有机框架（TB-sp2-COF），并在其联吡啶位点锚定了孤立的Ni、Cu等过渡金属中心，成功构建了M-COF（M = Ni, Cu）纳米反应器。在γ射线辐照下，该类催化剂表现出优异的辐射稳定性，并通过空间限域和电子调制效应，高效利用水辐解产生的水化电子，显著提升了对ReO4–的催化转化性能。研究结果表明，Ni-COF在γ射线辐照下可实现ReO2产物近乎定量的选择性，最高能量效率达42.1 mmol MJ–1。通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）、X射线光电子能谱（XPS）、高分辨透射电镜（HRTEM）等多项表征，揭示了反应过程中关键的μ-氧双桥[M–O(O)–Re]中间体结构及其电子转移机制。理论计算进一步证实，Ni中心因d带中心最接近费米能级，表现出最优的轨道杂化和电子传递能力，从而实现了高效的三电子转移路径。该研究不仅为铼等战略金属的绿色回收和高值化利用提供了新策略，更拓展了COF材料在辐射催化领域的应用前景，为处理氧化还原惰性污染物提供了新思路。
论文信息：Yue Wang*,# Weiyi Wang,# Haoyu Peng, Yiqian Wu, Chengchang Yang, Yicheng Wang, Jing Peng, Jiuqiang Li, Zhifang Chai, Liyong Yuan*, Maolin Zhai*, Weiqun Shi*. Radiation-Powered Catalytic Alchemy: 3e⁻ Reduction of Perrhenate via Confined Active Sites in Covalent Organic Framework Nanoreactors. J. Am. Chem. Soc. 2025, accepted. (The first two authors contributed equally to this work)
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09962