金属-有机框架（MOFs）已被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）列为“十大新兴化学技术”之一[1]。这些结晶多孔材料通过其可调的拓扑结构、金属簇和有机连接剂，提供了无与伦比的化学和结构多样性。金属节点和有机配体的模块化组装使MOFs能够具备理想的性能，如高热稳定性、可调节的孔隙率和极大的表面积[2]，从而在催化和环境修复领域进行了广泛研究[3]。由于其可预测和可设计的结构，MOFs允许对电子、光学和吸附性能进行合理工程设计[4]。
光催化是一种光驱动的氧化还原过程，其中半导体吸收光子产生电子-空穴对，参与表面氧化和还原反应[5]。光催化的效率主要受到快速载流子复合和可见光利用不足的限制。构建异质结，特别是Z型结构系统，是一种有效的策略，可以在保持强氧化还原电位的同时增强电荷分离[6]。
尽管Fenton化学及相关的高级氧化过程在污染物去除方面非常有效，但它们本质上是破坏性的，不适合用于CO₂等碳化合物的转化[7]。相比之下，光催化CO₂转化旨在在光照下选择性地激活并还原CO₂为高价值化学品[8]。因此，虽然本文讨论了Fenton化学等氧化修复策略以供对比，但它们超出了本研究的重点——CO₂还原。其他高级氧化过程，包括臭氧氧化、光催化氧化和基于硫酸根自由基的系统，同样依赖于高度氧化的途径来矿化污染物，因此与本研究中目标的选择性还原CO₂过程有本质区别[9]。
光催化已应用于化学合成、氢气生产、氨合成、微生物的光灭活和环境修复[10]、[11]。
据报道，化学活化剂如NaBH₄和过氧单硫酸盐可以通过自由基介导的途径增强光催化降解。然而，这些方法依赖于外部试剂和特定反应条件，因此不能反映光催化剂本身的性质[12]。因此，它们不包括在本评估范围内，本评估重点关注光催化剂本身的性能。
在众多应用中，光催化将二氧化碳（CO₂）转化为高价值产品（例如CO、CH₄或CH₃OH）具有双重好处：既能减缓温室气体排放，又能产生可再生燃料。光催化CO₂还原反应（CO₂RR）通常包括：（i）CO₂在光催化剂表面的吸附，（ii）光激发和电子-质子转移形成中间体如COOH*或CO*，以及（iii）还原产物的脱附[13]。在这种情况下，基于MOF的光催化剂作为光吸收剂和结构载体，有助于反应物分子在受限孔隙环境中的扩散和活化。MOFs特别适合CO₂RR，因为它们的高表面积和可调的孔隙环境能够控制光捕获、电荷分离和分子限制效应[14]。
传统的厌氧消化（AD）广泛用于废物处理和沼气生产；然而，它在针对CO₂的转化和光催化过程开发方面存在固有的局限性。AD需要较长的停留时间（数天至数周），产生的气体混合物以甲烷为主，且对产物选择性和反应路径的控制有限[15]。此外，AD的性能对原料变化、微生物群落稳定性和操作条件非常敏感，这限制了快速优化和材料层面的创新。相比之下，光催化CO₂转化能够在较快的时间尺度上直接、光驱动地激活CO₂，并具有可调节的选择性，生成高价值产品[16]。本研究的创新之处在于引入了一个多目标、机器学习引导的框架，用于快速优先选择CO₂转化的光催化剂材料，整合了催化、吸附、稳定性、经济性和可持续性等标准。这种方法相对于传统的试错实验大大加快了材料发现的速度[17]，并为针对特定CO₂转化的光催化剂的设计和大规模应用提供了可扩展的途径。
代表性的MOF光催化剂包括基于卟啉的框架，如PCN-224和PCN-222，它们利用金属-卟啉发色团吸收可见光，并实现了高选择性的CO₂到CO的转化[18]。基于锌的MOF如ZIF-8在稳定性方面表现出色，但通常具有较高的带隙，导致光吸收能力较弱[19]；而基于铬的MOF如MIL-101(Cr)变体虽然具有出色的化学稳定性，但由于电子-空穴复合迅速，光催化活性有限[20]。然而，没有一种单一的框架能够同时满足最佳带隙、高CO₂选择性、结构耐久性和经济可行性的要求[21]。本研究的创新之处在于使用了一个机器学习引导的框架，该框架全面优化了金属-有机框架在结构、电子、吸附和稳定性指标方面的性能，而不仅仅是关注单一的氧化途径或孤立的材料属性。
