2024年1月6日，化材学院纳米催化与能源转化研究团队在国际顶尖期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（中科院一区Top，IF=22.1）上发表题为“Interfacial electron interactions governed photoactivity and selectivity evolution of carbon dioxide photoreduction with spinel cobalt oxide based hollow hetero-nanocubes”（界面电子相互作用决定了尖晶石钴氧化物基中空异纳米立方体二氧化碳光还原的光活性和选择性演变）的研究论文。

半导体催化CO₂光还原为碳氢燃料是助力碳中和的理想能源方案之一。与单一半导体相比，半导体异质结通常显示出更高的催化活性。其催化活性随异质结组分比例的单向改变而呈现火山型演变趋势，同时产物选择性也经常随之变化。活性演变趋势的机制通常认为与异质结的界面电子相互作用和光吸收能力密切相关，而产物选择性演变机制尚未见报道。此外，先前研究在利用密度泛函理论研究异质结表面催化反应动力学和热力学时，经常基于异质结的一个组分进行建模，忽略了界面电子相互作用对表面反应的影响。

鉴于此，胡勇课题组通过热处理-溶剂热反应两步法制备了Co₃O₄/ZnIn₂S₄异质纳米立方体用于高效的CO₂光还原。研究发现，还原产物主要为C₁化合物（CO和CH₄），C₁产物生成速率随ZnIn₂S₄的负载量增加显示出火山型演变规律，最高达51.1 μmol g⁻¹h⁻¹。有趣的是，对Co₃O₄/ZnIn₂S₄异质结而言，CH₄选择性随ZnIn₂S₄的负载量增加单调地降低。基于原位漫反射红外光谱分析和密度泛函理论计算，发现界面电子相互作用不仅主导催化活性演变，而且影响产物选择性。与单一的Co₃O₄相比，界面电子相互作用改变异质结中Co₃O₄的电子结构，降低CO*反应中间体的加氢能垒，导致异质结相对单一组分显示出更高的CH₄选择性。通过改变ZnIn₂S₄的负载量，调节Co₃O₄表面的暴露比例，能够有效调控CH₄选择性。这项工作首次同时揭示了异质结界面电子相互作用主导的活性和选择性演变机制，为开发高效高选择性CO₂光还原催化剂提供新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123705.

（化材学院 刘欢欢）