近期，化学与材料工程学院焦星辰教授、陈庆霞副教授与马普所李小东博士合作，在光催化CO2还原制C2燃料方面取得重要进展，相关工作在“Angew. Chem. Int. Ed.”上发表：Interface-Engineering-Induced C–C Coupling for C2H4 Photosynthesis from Atmospheric-Concentration CO2Reduction。该论文化工学院2023级硕士研究生杜佩津、2022级硕士研究生丁金钰为共同第一作者。
乙烯（C2H4）是全球最重要的化工产品，堪称石化行业的重要基石。当前，约75%的石化产品源于C2H4，并且其是聚合的基本成分，有力地推动了重要有机化合物的生产。C2H4的产量通常被视为评估世界各国石化发展水平的标准。目前，烃类裂解是C2H4的主要生产方法，该技术以石油烃或天然气为原料，通过高温裂解将较大的碳氢化合物分子分解成较小的碳氢化合物分子。为满足当今世界的能源需求，对化石燃料的过度依赖致使大量二氧化碳（CO2）被排放到大气中，引发了气候变化等严重问题，气候变化已然成为本世纪的核心问题。利用CO2作为原料生产有价值的碳基燃料是一种很有前途的技术，既能创造新能源，又能解决温室效应。其中，太阳能驱动的二氧化碳减排能够实现真正意义上的零碳排放。若C2H4可通CO2光还原的方式获取，那么相较于传统制备方法，这将提供一种更节能、更环保的替代途径。在目前研究中，虽然某些光催化剂已经成功地将纯CO2光转化为C2H4产品，但CO2仅占大气中的0.03%。因此，获得高浓度的CO2环境需要一个额外的浓缩过程，这将导致大量的能源消耗和进一步的温室气体排放。基于以上分析，开发光催化将大气浓度CO2还原为C2H4的高效催化剂至关重要。
在典型的CO2光还原过程中，由于动力学条件不太严格，通常会产生一氧化碳（CO）和甲酸(HCOOH)这两种电子产物。然而，如C2H4、C2H6和CH3CH2OH等一类高附加值的C2产品很难得到。重要的是，如何促进C−C偶联是生产C2产品的最大挑战。如前所述，CO2−C2H4过程通常包括CO2初始脱氧为*CO，然后两个*CO分子在邻近的催化位点偶联形成关键中间体*OC−CO或其质子化形式*OC−COH。接下来是连续的多电子和质子转移过程，最终导致二氧化碳还原形成C2产物。在保证两个活性位点之间适当距离的情况下，设计双金属活性位点可能是稳定C2中间体的有效策略。这是因为双金属原子上不同的电荷分布可以减少偶极-偶极斥力，这有利于引导相邻*CO分子的C−C偶联产生C2燃料。在先前的策略中，如缺陷工程和掺杂工程等，已开发建立双金属活性位点。作为一个明显的区别，在半导体上加载高活性的金属团簇可以使引入的金属原子和衬底材料中的金属原子（界面上）构建杂原子对位点（示意图1）。一方面，以两个不同的金属原子作为活性位点可以有效地加速C−C偶联。另一方面，这两种金属原子之间电负性的差异可以诱导电子转移，从而增强光催化性能。考虑到这一点，加载高活性金属的界面工程对于实现CO2转化为C2H4的生产至关重要。本文设计并制作了锚定在半导体纳米片上的高活性金属原子团簇，实现了在纯水体系中光还原空气浓度CO2制C2H4。界面上电荷不对称的杂原子位点触发了C−C偶联步骤。本文以ZnO纳米片为理想模型，合成了负载在ZnO纳米片上的Pd团簇。XPS光谱和HADDF图像验证了Pd团簇在ZnO纳米片上的成功引入，其中DFT理论计算揭示了电荷不对称Pd−Zn杂原子位点的存在。原位FTIR光谱揭示了在Pd-ZnO纳米片上CO2光还原过程中存在*CO−COH中间体，证明了C−C偶联步骤的存在。相反，ZnO纳米片没有观察到这种现象。此外，原位XPS光谱显示Pd和Zn原子都是Pd-ZnO纳米片上的活性位点，而ZnO纳米片上CO2光还原只有Zn原子是活性位点。CO*和COH*中间体C-C偶联的过渡态能垒较低（0.998 eV），表明C−C偶联容易产生C2燃料。因此，Pd-ZnO纳米片证明了其通过光催化空气浓度CO2还原为C2H4的能力，其演化速率为1.03 μmol g−1h−1。总之，这项研究强调通过界面工程引入电荷不对称的杂原子位点可以有效地引导C−C偶联生成C2H4，为温和条件下靶向合成C2H4开辟了新的可能性。
上述研究得到科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金和江南大学高层人才引进启动资金等项目资助。
示意图1.半导体纳米片上高活性金属团簇的CO2光还原示意图，其中在界面上构建的具有不同电荷密度的杂原子对位点可以促进C−C偶联生成C2H4。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202421353
