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近日，北京理工大學(xué)張加濤教授團隊在光催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Bioinspired catalytic pocket promotes CO₂-to-ethanol photoconversion on colloidal quantum wells ”為題在國際頂級期刊《Science Advances》發(fā)表（DOI: 10.1126/sciadv.adq2791）。這一研究成果為利用太陽能將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳基能源燃料提供了全新的光催化劑設(shè)計思路。

北京理工大學(xué)材料學(xué)院劉佳副教授，武漢大學(xué)顧向奎教授，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院張加濤教授為本論文共同通訊作者，博士研究生潘容容、王琪、趙巖、馮振東為共同第一作者。

長期以來，人類社會發(fā)展的能量來源主要依賴于碳基化石能源，這些不可再生能源的大規(guī)模開采和使用導(dǎo)致能源日益枯竭，且排放的二氧化碳引發(fā)全球變暖等嚴峻環(huán)境問題，給人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。以潔凈、豐富、可再生的太陽光作為能量來源，利用半導(dǎo)體光催化劑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇等高附加值能源燃料，為建立 “人工碳循環(huán)”、實現(xiàn)“碳中和”目標提供了一種理想的解決途徑。然而，由于該過程涉及復(fù)雜的多電子/質(zhì)子轉(zhuǎn)移及碳-碳耦合表面反應(yīng)機制，光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率低、反應(yīng)選擇性差是目前研究中所面臨的主要科學(xué)瓶頸。針對這一難題，張加濤教授研究團隊受到自然界生物酶催化中心多級結(jié)構(gòu)與協(xié)同催化原理的啟發(fā)，基于ZnSe二維量子阱構(gòu)建了NH₂…Cu-Se(-Zn)多功能協(xié)同催化中心，在光催化二氧化碳還原制乙醇反應(yīng)中實現(xiàn)了5.5 mmol/g/h的轉(zhuǎn)化速率，相較目前同類研究水平提高了一至三個數(shù)量級，且選擇性高達98.2%。

圖1 類酶多功能協(xié)同催化中心光催化劑設(shè)計原理

圖2 光催化二氧化碳還原活性與選擇性研究

理論計算與光譜研究表明：所設(shè)計的NH₂…Cu-Se(-Zn)多功能協(xié)同催化中心能夠通過NH₂與CO₂形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合，使得原本為化學(xué)惰性的線型CO₂分子發(fā)生彎曲形成化學(xué)活性構(gòu)型；吸附于NH₂的曲型CO₂在NH₂與Cu的協(xié)同作用下，發(fā)生多步質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程，轉(zhuǎn)化為CO并轉(zhuǎn)移至Cu位點；臨近的Se位點奪取Cu吸附的CO并通過加氫反應(yīng)使其轉(zhuǎn)變?yōu)镃HO，隨后與Cu上吸附的CO發(fā)生不對稱碳-碳耦合；所形成的COCHO中間體在附近NH₂的協(xié)同穩(wěn)定作用下，從熱力學(xué)上傾向于最終生成乙醇產(chǎn)物，實現(xiàn)CO₂到乙醇的高選擇性轉(zhuǎn)化。

圖3 光催化二氧化碳還原反應(yīng)機理研究

該研究成果展示了仿酶催化中心結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計在開發(fā)高效光催化材料方面的巨大潛力，這種創(chuàng)新性的催化劑表面設(shè)計策略有望進一步應(yīng)用于其他復(fù)雜的光催化過程，對于解決太陽能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化效率低、選擇性差的瓶頸問題具有重要的指導(dǎo)意義。

該研究受到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究項目資助。

論文詳情：Rongrong Pan^?, Qi Wang^?, Yan Zhao^?, Zhendong Feng^?, Yanjun Xu, Zhuan Wang, Yapeng Li, Xiuming Zhang, Haoqing Zhang, Jia Liu*, Xiang-Kui Gu*, Jiangwei Zhang, Yuxiang Weng, Jiatao Zhang*,Bioinspired catalytic pocket promotes CO2-to-ethanol photoconversion on colloidal quantum wells, Science Advances, 2024, 10, eadq2791.

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq2791

附作者簡介：

劉佳，北京理工大學(xué)材料學(xué)院長聘副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事太陽能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化催化材料的設(shè)計與合成，以第一/通訊作者在Chem. Rev., Sci. Adv., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊發(fā)表論文30余篇，主持國家自然科學(xué)基金項目3項。  

張加濤，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院院長，結(jié)構(gòu)可控先進功能材料與綠色應(yīng)用北京市重點實驗室主任，英國皇家化學(xué)會會士，獲得國家優(yōu)秀青年基金。主要從事半導(dǎo)體納米材料合成化學(xué)、組裝及其光電新能源、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。以第一/通訊作者在Nature, Science, Chem. Rev., Nature Nanotech., Sci. Adv., Nature Commun., JACS, Chem, Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等國際頂級SCI學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，研究工作已被他人引用1萬余次。目前擔(dān)任中國材料研究學(xué)會納米材料與器件分會副理事長，中國化學(xué)會理事，中國化工學(xué)會化學(xué)工程專業(yè)委員會委員，中國化工學(xué)會智能制造專委會委員，中國金屬學(xué)會功能材料分會委員等職。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊執(zhí)行副主編，Nano Res., PNS: MI、Rare Metals 3個SCI期刊編委。榮獲2019國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）新材料及合成杰出獎、中國材料學(xué)術(shù)聯(lián)盟IFAM2018青年科學(xué)家獎、2023/24年科睿唯安全球高被引科學(xué)家等。