《Adv. Energy Mater.》 非晶-晶体杂化结构诱导C−C偶联高选择性光还原CO₂制C₂燃料

Dongpo He,⁺ Guangbing Huang,⁺ Jun Hu,⁺ Jinyu Ding, Wenxiu Liu, Liang Chen*, Wensheng Yan, Junfa Zhu, Shan Zhu, Qingxia Chen*, Xingchen Jiao*, and Yi Xie

利用可再生太阳能为二氧化碳(CO₂)还原提供动力，不仅有望将光能储存为宝贵的化学能，还为解决温室效应和化石燃料枯竭的紧迫问题提供有效的解决方案。传统上，光催化CO₂还原的主要产物是C₁燃料，然而具有更高能量和更广泛用途的C₂产物，如醋酸(CH₃COOH)、乙醇(C₂H₅OH)、乙烯(C₂H₄)和乙烷(C₂H₆)等，无论在技术上还是经济上都为工业提供更高的价值。尤其是CH₃COOH，作为一种广泛应用于农药、医药、染料和橡胶工业的商品化学品，受到特别关注。据估计，2015年全球CH₃COOH市场达到1300万吨，到2025年将达到2450万吨。然而，在光催化二氧化碳还原过程中合成C₂产物需要困难的C-C偶联步骤，在此过程中，C-C键的形成需要克服比C-H键和C-O键更大的反应能量障碍。要实现这一梦想概念，催化剂设计则是这一过程中的关键因素。

设计将CO₂光还原成C₂燃料的催化剂的典型策略是打破材料固有的配位对称性，从而调节其电子结构，产生活性双位点。目前的研究几乎都集中在晶体材料上。然而，在完美结晶的领域之外，还有大量无序物质，统称为非晶材料，它们在凝聚态物质中占很大比例。目前还没有研究表明非晶态物种是否会影响CO₂光还原过程中的产物选择性。因此，作者首次提出了一个新概念，即非晶-晶体杂化结构界面上的电子转移可以唤醒晶体基底中处于休眠状态的金属原子。这种巧妙的结构将诱发双金属活性位点，从而促进C-C耦合以生产C₂燃料。因此，相对于Bi₂MoO₆晶体材料，FeOOH-Bi₂MoO₆非晶-晶体杂化材料可以提供唯一的液态产物CH₃COOH，且电子选择性高达约86.9%。这项工作为实现CO₂光还原生成C₂产物的高效性能开辟了一条新途径，并拓宽了我们对非晶材料在新型应用领域的认识。本工作发表在国际著名杂志《Adv. Energy Mater.》上。

图1：在非晶杂化结构催化剂上，CO₂光还原成CH₃COOH的示意图。