注：文末有本文科研思路分析
在纯水条件下将二氧化碳还原为高价值C2产品，是应对能源危机的可持续策略。然而，C2产物的合成受限于水氧化为氧气的缓慢动力学，导致空穴严重积累并显著降低电子利用率，严重阻碍了C-C偶联反应。近日，江南大学董玉明教授团队制备并合成了一种基于共轭堆叠噻吩的苯环功能化超分子催化剂，实现了CO2高活性高选择性还原产C2H6。
当前研究主要聚焦于还原端活性位点，缺乏针对催化剂H2O氧化半反应分子设计的策略以提升C2产物活性。要实现C2产物活性显著提升（>100 μmol g-1 h-1）和近单一选择性（>95%）仍面临挑战。
图1. 催化剂CBD上CO2光还原产C2H6的反应机制。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
江南大学董玉明教授团队针对这一关键问题，设计并合成了一种基于共轭堆叠噻吩的苯环功能化超分子催化剂，实现了催化剂设计逻辑的转移—从还原端的调控转移至氧化端的利用。其核心在于苯环的电子结构调控和关键中间体稳定化功能，有效提升了催化剂的价带能级并稳定了H2O氧化中间体*OH，在动力学上驱动H2O定向氧化产生H2O2。通过EPR、瞬态吸收光谱、飞秒瞬态光谱和原位KPFM数据等一系列数据证实催化剂的光生空穴被苯环位点上发生的H2O→H2O2的两电子氧化反应快速消耗。产生的光生电子快速积累诱导CO2还原中间体*CO桥式吸附C-C偶联。
这种独特的设计产生了优异的活性，乙烷产率达到101.1 μmol g-1 h-1，电子选择性达到98%，远超过了最近发表的其他工作。即使在自然光下，乙烷产率仍能保持42 μmol g-1 h-1，电子选择性为85%。
图2.（a）氙灯光照和（b）自然光照下的C2H6生成性能。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是江南大学博士研究生杨婷羽，通讯作者是董玉明教授和朱永法教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Activity breakthrough in CO2 photoreduction to C2H6 via accelerated electron accumulation from H2O photooxidation to H2O2
Tingyu Yang, Xinyu Sun, Yuming Dong, Jiawei Zhang, Xinxin Jiang, Yongfa Zhu
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202521909
导师介绍
董玉明
https://www.x-mol.com/university/faculty/38131
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：我们最初的目的就是想设计一款光催化剂，能够克服纯水体系中C2产物低活性和选择性的问题。我们考虑到水氧化端的低动力学过程是影响还原端多电子还原反应核心原因，如果能构建出提高水氧化端反应，加速空穴消耗的光催化剂，就有望提升金属中心C-C偶联所需的多电子还原反应。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本研究最大的挑战是证实水氧化产双氧水加速空穴消耗的过程。我们需要借助许多的测试方法，同时尝试原位表征的设备。克服困难的过程也是提升我们团队实验能力的过程。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该研究从低碳/负碳化学品的生产、绿色氧化剂的分布式生产和碳中和与环境污染的治理等领域都具有协同应用与价值。如工厂烟气的处理与捕集、废水高级氧化处理（如芬顿反应），降解有机污染物等等。
该研究在新能源、环保技术等产业都可以得到利用。此外，该催化设计理念在催化与理论设计材料领域都可以作为一条极具吸引力的创新路径。
