浙江理工大学李本侠教授课题组Angew：在有序大孔结构中构建异核双金属活性位点促进CO₂光还原制C₂H₄

第一作者：徐茂，张迁宇

通讯作者：李本侠*，赵彦英*

单位：浙江理工大学化学与化工学院，浙江理工大学材料科学与工程学院

在H₂O和太阳能的辅助下，将CO₂光催化转化为C₂H₄代表着一种具有重大意义的可持续发展策略。然而，这一方法仍然面临重大挑战。C₁中间体（例如*CO）在催化剂上的弱吸附导致其过早解吸，且C-C偶联步骤能垒较高，阻碍了多碳产物的有效形成。为了解决这些局限性，我们需要合理设计光催化剂，增强对关键中间体的吸附，使反应途径向C-C偶联方向选择性进行，从而提高CO₂向C₂H₄转化的速率和产物选择性。基于此，设计具有三维有序大孔（3DOM）结构的光催化剂，利用其大孔限域效应促进CO₂分子的富集和转化以及对C₁中间体的捕获。同时，构建异核双金属活性位点，利用电荷极化减轻相邻中间体的静电斥力，降低C-C偶联能垒，促进C₂₊产物的生成。

基于此，浙江理工大学化学与化工学院的李本侠教授和浙江理工大学材料科学与工程学院的赵彦英教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Engineering Heteronuclear Dual-Metal Active Sites in Ordered Macroporous Architectures for Enhanced C₂H₄ Production from CO₂ Photoreduction”的研究论文。该研究提出了将三维有序大孔（3DOM）结构与异核双金属活性位点相结合的双重工程策略，协同促进光催化CO₂和H₂O转化为C₂H₄。

研究人员以Cu/3DOM-In₂O₃光催化剂为例，该催化剂是通过模板辅助热解工艺将Cu单原子（Cu SAs）原位引入3DOM-In₂O₃合成得到。Cu SAs与In₂O₃之间的强相互作用形成了电荷极化的Cu-In活性位点以及丰富的氧空位（OVs）。3DOM结构作为特殊的纳米反应器在促进CO₂富集和限制关键中间体方面具有显著的优势，从而提高了*CO覆盖率。同时，电荷极化的Cu-In活性位点有效地减轻了静电排斥，促进了*CO+*CHO中间体的形成，从而形成了一个热力学自发的C-C偶联步骤。因此，Cu/3DOM-In₂O₃光催化剂表现出将CO₂还原为C₂H₄的优异性能，在高纯CO₂、10% CO₂/Ar（模拟烟气）和0.04% CO₂/Ar（模拟空气）中均能达到较高的C₂H₄生产速率。该研究为构建具有特定微结构和明确活性位点的光催化剂提供了一种新思路，从而促进太阳能驱动CO₂和H₂O转化为高价值的多碳产物。

方案1. 用于提高CO₂和H₂O转化生成C₂H₄效率的Cu/3DOM-In₂O₃光催化剂设计原理图。

提出了一种新的双工程调控策略，结合3DOM结构与异质双金属活性位点开发高效的光催化剂，以实现太阳能驱动CO₂和H₂O高效转化为C₂H₄。通过模板辅助热解法将Cu单原子（Cu SAs）原位引入到3DOM-In₂O₃中，制备了Cu/3DOM-In₂O₃光催化剂，增强了光催化CO₂还原生成C₂H₄的效率和选择性。

要点二：光催化机理

3DOM结构可以作为理想的纳米反应器，促进CO₂富集，抑制CO脱附，从而提高中间体在活性位点处的局部浓度；同时，异核Cu-In活性位点在光催化CO₂还原过程中对C₂H₄的生成具有关键作用。电荷极化Cu-In活性位点有效降低了相邻C₁中间体间的静电斥力，并促进不对称C-C偶联，形成CO-CHO中间体。

要点三：光催化性能

Cu/3DOM-In₂O₃催化剂在光催化CO₂和H₂O转化生产C₂H₄的反应中表现出优异的性能，分别在纯CO₂、模拟烟道气和大气CO₂浓度中达到24.31 μmol g⁻¹ h⁻¹、12.21 μmo g⁻¹ h⁻¹和5.91 μmol g⁻¹ h⁻¹的C₂H₄释放速率。

Engineering Heteronuclear Dual-Metal Active Sites in Ordered Macroporous Architectures for Enhanced C₂H₄ Production from CO₂ Photoreduction. Angewandte Chemie International Edition, 2025.

李本侠教授课题组一直致力于新型高效光催化材料的控制合成及构效关系研究，研究方向包括：（1）太阳光驱动二氧化碳资源化反应；（2）太阳光驱动选择性有机转化；（3）光催化选择性有机转化耦合产氢或产过氧化氢；（4）光催化材料在污水净化中的应用。课题组以“界面工程”为核心，通过原子级分散金属位点、氧空位调控及异质结构设计，推动光催化材料的性能突破。

李本侠教授课题组招聘博士后和青年教师研究人员，欢迎联系咨询：libx@zstu.edu.cn