第一作者：汪圣尧教授
通讯作者：陈浩教授，蒋波教授，余家国教授，叶金花教授
论文DOI：10.1038/s41467-023-38052-0
二氧化碳(CO2)光还原生成可再生合成燃料是一种有潜力的产生替代化石能源方法，将有望控制大气中的CO2水平并最终通过利用碳循环实现“双碳”目标。然而，由于当前CO2光还原反应的转化效率很低，并且会有难以察觉的碳污染引入，因此，准确地追踪溯源CO2光还原产物极具挑战性。虽然，多年前13C同位素示踪溯源法已用于解决这一问题，但现有的同位素溯源方法不够严谨，经常产生假阳性结果，对获得可靠的CO2光还原结论产生了负面影响。本研究揭示了同位素示踪实验中经常被忽视的假阳性结果，通过制定严格的测试方案建立了科学的CO2光还原示踪溯源检测方法，这一研究将帮助领域研究人员更准确的理解和分析CO2光还原反应。
利用太阳光将CO2光还原为合成燃料将有望以与现有化石燃料基础设施兼容的形式贡献大量碳能源，要实现高选择性和高转化效率的CO2光还原反应，必须克服相当大的科学和技术挑战。大多数的研究都集中在优化催化材料和反应系统上，但不幸的是一些拥有较高效率的反应系统被归因于光催化剂或反应体系中的碳污染物分解。虽然，通过使用13C同位素标记结合气相色谱-质谱(GC-MS)可以对CO2光还原产物进行溯源是一项非常有效的策略，但由于反应物和催化产物的分子/离子碎片峰通常具有相同的质荷比，它们相互干扰会导致错误的鉴定结果和定量误差，这使得通过当前方法进行同位素示踪溯源检测并不可靠。基于此，本研究阐明了同位素示踪研究中存在的陷阱和错误，建立了科学的同位素示踪实验方法，为13C同位素示踪方法提供了实例和参考，这将为CO2光还原反应的产物来源提供有力证据。
1. 本工作通过实验证明当前CO2光还原中同位素示踪实验方法的存在严重漏洞，利用标准同位素标记分子和GC-MS分析的基本原理，揭示了同位素示踪研究中经常被忽视的假阳性结果。
2. 通过制定严格的CO2光还原同位素溯源标准方法来消除假阳性结果。基于大量的系统地实验结果，提出了CO、烷烃、醇、羧酸和烯烃等各种CO2还原潜在产物的同位素示踪溯源实验标准方法。
3. 开创性的设计使用“双柱并联”的系统实现CO2光还原反应物及多种潜在产物的同时分析，并通过多种已报道的CO2光还原体系进行了验证。
气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）是目前最常用也是最普适的同位素示踪CO2还原反应产物的仪器（图1a）。仪器由气相色谱（GC）和质谱（MS）两部分组成，GC根据分子与色谱柱填料的亲和力不同进行分离，MS用来检测不同分子的质量或质量片段。通过在CO2还原系统中使用13CO2、13CO、水蒸气等标准气体来模拟真实CO2光还原体系中的同位素溯源测试。将预混气体从CO2还原系统中收集并注入配备有最常用HP-5MS色谱柱（目前大多数文献使用的色谱柱）的GC-MS中。如图1b所示，从总离子流图中在保留时间（RT）为6.4 min处获得可以获得质谱图，其中质荷比为29峰通常被为认为是13CO。但事实上，由于没有实现分离（总离子流图中仅有一个峰）该质荷比可能有三个来源：（1）13CO的分子离子峰（13CO+，m/z= 29），（2）13CO2在离子源轰击下碳-氧键断裂产生的碎片离子峰（13CO+，m/z= 29）以及（3）15N14N的分子离子峰（氮气自然丰度同位素，15N14N+= 29）。尽管，自然丰度的氮气同位素只微量存在，但反应原料13CO2的碎片离子是大量存在并且具有干扰还原产物13CO同位素示踪结果的风险。因此，在没有加入13CO的混合气体的实验中，也可以得到类似的总离子流图和质谱图（m/z= 29的质谱峰，图1c）。在现有文献报道的检测方法中，质荷比为17、29及45的质谱峰通常被认为是13CH4、13CO和13CO2的分子离子峰。但是根据上述实验结果，13CO2产生的碎片离子峰（13CO+，m/z= 29）和H2O产生的碎片离子峰（HO+，m/z= 17）会对溯源的准确性造成较大影响，这使得使用上述溯源方法的得到的结论存在重大不可靠风险。
图1. 当前CO2光还原中同位素示踪实验方法 (a) GC分离系统和MS检测系统的GC-MS图示. (b) (c) 使用HP-5MS色谱柱从密封的CO2还原系统收集模型气体：(b)光还原后（含有13CO2、13CO及水蒸气）(c)光反应前（仅含13CO2及水蒸气）。
研究表明，上述结果归因于质谱检测器对待测物质检测的基本原理是通过离子源使待测物质带电荷，并通过质量检测器监测质荷比。但离子源使待测物质带电的过程并不不可控，真空条件下待测物质的离解与电离会同时发生。特别是当样品量较大时，解离和解离重组成为必然，这导致具有相同特性的分子离子和碎片离子在质量检测器上相互干扰。由于反应物CO2、H2O，产物CO、CH4和空气成分（N2、O2、Ar）同时发生电离和解离，这使得产物13CO与13CH4的同位素溯源会与其他组分发生混淆（图 2a）。为避免这种混淆，研究发现合适的色谱条件用于满足样品完全分离要求是进行同位素溯源的先决条件。如图 2b所示，配备合适色谱柱的GC分离器可以完全分离CO2和CO混合气体，尽管CO2和CO都可以在离子源中生成类似的碎片离子，但它们不同的进入时间为质谱检测器提供了分析的重要条件。相反，采用分离特性差的色谱柱则会使CO2和CO组分同时进入离子源，产生复杂的分子离子和碎片离子信号，导致溯源结果的不可靠。
图2. (a) 反应物（13CO2、H2O）、产物（13CO）和空气杂质（N2、O2、Ar）在GC-MS的EI源中进行电离时的解离过程示意图. (b) 具有良好GC分离条件（顶部）和不良分离条件（底部）的MS检测应对待测组分CO2和CO的相互干扰。
目前，除上述质谱检测方法外，先进的同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）近来也被用于CO2光还原反应的同位素溯源。SVUV-PIMS可实现对目标分子的可控电离，并且可以克服其他电离技术的缺点最大限度地减少MS检测中的产生分子碎片带来干扰。研究使用13CO2和13CO标准品对该方法进行验证，如图 3a所示，13CO2标准气的质荷比为45信号在光电离质谱中的电离阈值为13.75 eV，而13CO标准气的质荷比为29信号在光电离质谱中的电离阈值为14.00 eV，这是SVUV-PIMS技术可以检测13CO的根本原因。然而，在研究中发现，13CO2标准气的质荷比为29信号也在13.91 eV处被观察到（图 3b）。这说明13CO2存在微弱的裂解或在商业13CO2标准气中存在一定量杂质，这在一定程度上干扰了SVUV-PIMS技术用于CO2光还原反应的同位素溯源。进一步，研究发现当SVUV-PIMS的光子能量设置为14.50 eV（文献中常用的电离能）用于监测13CO的同位素产物时，可以在13CO2标准气的SVUV-PIMS谱图中找到m/z= 29的信号峰（图 3c）。此外，13CO2中质荷比为29的信号强度与推斥电压和采样时间密切相关。因此，尽管SVUV-PIMS最大限度地减少了潜在分析物的解离产生碎片，但该技术普及困难以及对样品量（一次进样通常为数百毫升）的要求在一定程度上阻碍了SVUV-PIMS技术的广泛应用。
图3. 用于CO2光还原中同位素示踪实验的SVUV-PIMS
众所周知，CO2光还原反应的潜在产物包括CO、CH4、C2H6、C2H4、HCOOH、CH3COOH、CH3OH和CH3CH2OH。由于产物与反应物（H2O和CO2）以及取样过程中不可避免引入的空气组分混合，并且GC-MS中使用的HP-5MS等通用色谱柱无法在同位素示踪实验中高效的分离潜在产物，这导致了目前同位素溯源示踪实验的不准确性。因此，选择合适的色谱柱来分离产物成分至关重要。针对CO2光还原产物的不同类型，选用HP-Molesieve、HP-PLOT/Q、HP-FFAP等色谱柱在不同测试条件下来识别和分离CO2光还原反应中的反应物和产物。如图4a-d，研究首次建立了四类CO2光还原潜在产物同位素检测方法和标准图谱来满足在不同条件下不同产物的检测需求。
图 4. 13C同位素标准样品的检测图谱。 (a) O2、N2、13CH4和13CO在80 °C下使用HP-Molesieve色谱柱的TIC和相应的MS谱图； (b) 13CH4、13CO2、13C2H4和13C2H6在45 °C下使用HP-PLOT/Q色谱柱的TIC和相应的MS谱图； (c) 13CO2、13CH3OH和13C2H5OH在120 °C下使用 HP-PLOT/Q色谱柱的TIC和相应的MS谱图；(d) 13CO2、13CH3OH和13C2H5OH在110 °C下使用HP-FFAP色谱柱的TIC和相应的MS谱图。
进一步，为了应对上述过于复杂的过程用于分离并同时分析原料及产物中的同位素丰度，研究设计了一组包含HP-Molesieve和HP-PLOT/Q的并联系统（图 5a）。如图 5b所示，O2（RT在1.79 min），N2（RT在2.20 min）、CH4（RT在2.48 min）和CO（RT在4.59 min）从HP-Molesieve色谱柱上逐一洗脱并生成对应的质谱图。HP-Molesieve无法检测的CO2和H2O组分在并联的HP-PLOT/Q色谱柱上被分离和检测（图 5c）。基于这种并联策略，可以在单次实验中实现光还原CO2过程中包含反应物及潜在产物的溯源分析。
图5. 开发的并联系统策略 (a) 采用HP-Molesieve和HP-PLOT/Q的并联系统示意图。含有O2、N2、CO、CH4、CO2和水蒸气样品的TIC (b)和相应的MS谱图(c)。
在使用多个标准样品优化同位素示踪方法后，研究进一步使用了已报道的成熟CO2光还原系统来验证建立方法的可靠性。首先采用均相分子催化剂FeIII卟啉用于评估封闭气体循环系统中的CO2光还原，如图6a所示，该系统获得的TIC与标准光谱（图 4a）相似，因为CH4和CO是该反应体系产物。在MS中，分子离子峰和碎片离子峰被分配给同位素标记的13CH4和13CO，最终证明CH4和CO产物源自标记的13CO2光还原。进一步，研究使用Cd-ZnS非均相反应体系来验证液体GC-MS同位素示踪方法（图 6b为TIC，图 6c为RT= 10.18 min处MS谱图）。MS谱图与所建立的H13COOH标准MS相符合，证明了上述方法对CO2光还原所产生液体产品溯源的准确性。
图 6. 基于已报道的均相和非均相CO2光还原体系开展同位素示踪溯源实验 (a) FeIII卟啉均相复合物和(b, c) 非均相Cd掺杂ZnS的TIC和MS谱图。
此外，全有机反应系统中的同位素示踪在CO2光还原实验中尤其难以评估。使用最近报道的共轭聚合物(CPs)作为代表性光催化剂来进行气固相和液相反应同位素示踪实验。通过比较光还原前后的TIC（图 7a），在液相反应过程中只能观察到CO的增加，并且在RT= 4.59 min收集的MS与13CO的标准MS相匹配（图 7b），这意味着CO源自CO2光还原。与液相反应相比，气固相反应中的CPs具有更高的活性并产生更多的CH4。在相应的MS中，CO和CH4主要由固体CP上的光热效应诱导分解产生，而不是CO2光还原。这一结果表明，在评估CP气固相中的CO2光还原时，催化剂的自分解会严重影响产物的定性和定量分析。同时说明了准确的同位素示踪方法对于证明不同材料光还系统中CO2光还原效率的重要性。此外，研究强调了同位素实验和准确的GC-MS测试不仅对于使用牺牲剂的反应体系是必要的，而且对于没有牺牲剂的反应体系也很重要。
图 7. 基于已报道的共轭聚合物液相和气固相CO2光还原体系开展同位素示踪溯源实验 (a, b) 液相和(c) 气固相的TIC和MS谱图。
本工作证明了CO2光还原产物同位素示踪实验的困难性。由于反应物、产物和催化剂本身的相似性，当前文献使用的同位素标记溯源方法十分粗糙，这对验证可靠的CO2光还原过程产生了负面影响。因此，本工作通过制定严格的CO2光还原同位素溯源策略来消除假阳性结果。利用标准同位素标记分子和GC-MS仪器分析的基本原理，揭示了同位素示踪研究中经常被忽视的假阳性现象。通过广泛的测试，系统地提出了CO、烷烃、醇、羧酸和烯烃等多种CO2还原系列潜在产物标准的同位素示踪溯源实验方法。开创性的设计使用“双柱并联”方案实现了上述反应物及潜在产物的同时分析，开了一套简单可行的实验方法。此外，研究针对多种已报道的CO2光还原体系对建立的新方案进行了验证。本研究建立了科学的人工光合作用CO2光还原同位素标记溯源的检测方法，并制定了严格的检测标准程序，这一研究将帮助研究人员规避同位素示踪实验中的陷阱和错误，为研究人员设计更高效的光催化剂提供更严谨的检测标准，有助于本领域的研究人员更准确的理解和分析CO2光还原反应。
汪圣尧，华中农业大学理学院教授、博导。主要从事无机、有机半导体光催化材料开发及其在光催化N2固定、CO2还原、CH4活化及NO去除等方面应用的研究工作。先后承担了国家自然科学基金、湖北省青年人才项目及湖北省自然科学基金等多项研究项目。截止至今，共发表SCI论文50多篇，总引用超过4000次，以第一作者/通讯作者已发表论文30余篇，主要包括Nat. Commun. (4), J. Am. Chem. Soc. (2), Adv. Mater. (2), Adv. Funct. Mater. (3),和Sci. Bull. (1)等。
蒋波，上海师范大学化学与材料学院教授，上海市东方学者特聘教授，获批上海市千人计划，主要从事光催化、电催化材料开发及其在CO2、CH4小分子气体资源化等方面应用的研究工作。截止至今，以第一作者/通讯作者已发表论文30余篇，主要包括Nat. Commun. (2), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem. Int. Ed（2）等。
余家国，中国地质大学（武汉）教授、博导；欧洲科学院外籍院士、国家杰出青年科学基金获得者；主要研究方向为光催化、光热催化、电催化、电化学储能、钙钛矿太阳能电池、室内空气净化等。
陈浩，华中农业大学理学院教授、博导。国务院享受特殊津贴专家。主要研究方向为：光催化材料设计及其在环境及能源领域的应用。先后承担了国家自然科学基金及教育部博士点基金等多项研究项目，取得了多项国际领先的创新性成果。以通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett.和Environ. Sci. Technol..等国际期刊上发表论文100余篇。
叶金花，NIMS 首席研究员、北海道大学教授，天津大学-日本国立物质材料研究所国际合作实验室主任、973 项目首席科学家。主要研究方向为：光功能材料的研究开发以及其在环境保护及新能源领域的应用。先后承担了国家“973”项目以及国家自然科学基金重点项目及等十几项重大研究项目。取得了多项国际领先的创新性成果。在 Nature, Nat. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.和Phys. Rev. Lett.等国际著名杂志上发表 550 余篇高质量论文，迄今已获得同行约 50,000 次引用。2016年被接纳为英国皇家化学会会士，并被科睿唯安评选为2018-2022年度全球高被引科学家，担任美国化学会ACS Nano杂志及美国科学促进会Science Advances杂志副主编。
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