近日，东南大学物理学院王金兰教授在光催化的研究中取得重要进展，其研究成果以“Mechanism-Guided Design of Photocatalysts for CO2 Reduction toward Multicarbon Products”为题发表在化学类顶级期刊上《美国化学会会志》(Journal of the American Chemical Society) 上。
光催化还原CO2生产高附加值多碳产物是实现绿色能源可持续生产的重要途径，但受限于催化剂的转换效率仍较为低下。过渡金属氧化物因其相对较宽的带隙可以提供足够的能量来驱动缓慢反应的CO2还原和H2O氧化过程，在光催化反应中展现出更为优越的催化性能，因而具有更加广阔的应用前景。然而，由于催化剂结构和多碳产物反应过程的高度复杂性，使得催化剂的合理设计和导向特定产物的性能优化成为一个巨大的挑战。
针对这一难题，王金兰教授团队提出了机理导向的CO2还原光催化剂设计方案。以实验报道的结构清晰（二维层状结构）、性能独特（高C3H8选择性）的Cu掺杂纤铁矿型TiO2体系（Cu-TiO2）为基础，深入探索了微观反应机理，揭示了影响光催化CO2合成丙烷的选择性、活性、耐久性的关键因素：双氧缺陷是高C3H8选择性的先决条件，适中的C-C耦合能垒是高活性的关键，而双氧空位的再生能力决定了催化剂的耐久性。更重要的是，他们发现氧空位的形成/再生与C-C耦合呈负相关，这表明理想的催化剂需要在氧空位形成和C-C耦合之间取得平衡。在此基础上，文章设计了相邻两个Cu原子掺杂的TiO2，进一步提高了CO2光还原产生丙烷的性能。为了揭示不同体系催化产生多碳产物性能差异性起源的根本原因，团队进一步构建了一个基于原子固有性质的简单描述符(Nμ即“有效d电子数”)。这些结果对金属氧化物基光催化剂的“结构-性能”关系提供了新的认识，从而为优异的CO2光还原合成高附加值产物催化剂的理性设计提供了有效策略。
本文的第一作者是东南大学博士生任春锦，东南大学物理学院王金兰教授及凌崇益副教授为通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及江苏省青年基金等项目的资助。
论文链接为： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c11972