【成果掠影 & 研究背景】

太陽能驅(qū)動的光催化二氧化碳還原（PCO?R）技術(shù)，能夠直接將CO?、H?O和陽光轉(zhuǎn)化為碳氫燃料，是實現(xiàn)碳中和與可再生能源經(jīng)濟的關(guān)鍵路徑之一。然而，該技術(shù)的發(fā)展長期受限于太陽能（尤其是低能光子）利用效率低、反應(yīng)動力學緩慢以及高附加值產(chǎn)物（如CH?）選擇性難以控制等核心挑戰(zhàn)。

近日，西安交通大學的研究團隊受地球溫室效應(yīng)啟發(fā)，設(shè)計并構(gòu)建了一種無貴金屬的核殼結(jié)構(gòu)催化劑（Bi@Fe?O?），實現(xiàn)了“納米尺度溫室效應(yīng)”，成功推動了全太陽光譜的級聯(lián)利用，用于高效、高選擇性地將CO?和水還原為CH?。在該設(shè)計中，金屬鉍（Bi）納米核作為等離子體納米加熱器，主要吸收低能光子（如近紅外光），通過局域表面等離子體共振效應(yīng)產(chǎn)生高能熱電子和局域納米加熱；而富含氧空位的疏松Fe?O?殼層則吸收高能光子，并作為催化反應(yīng)床，接收注入的熱電子并限制熱量，協(xié)同促進CO?的活化和深度加氫。得益于光化學與光熱效應(yīng)的協(xié)同作用，該系統(tǒng)在不使用任何外部加熱或犧牲劑的條件下，在850 nm近紅外光照下，實現(xiàn)了273.81 μmol g?1 h?1的CH?產(chǎn)率、98.60%的選擇性以及0.64%的表觀量子效率（AQE），創(chuàng)造了無貴金屬催化劑在該反應(yīng)條件下的性能紀錄。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 提出并實現(xiàn)了“納米尺度溫室效應(yīng)”：模仿地球溫室原理，設(shè)計了Bi核（吸熱/產(chǎn)熱）與Fe?O?殼（隔熱/催化）的核殼結(jié)構(gòu)，在納米尺度上同時實現(xiàn)了光能捕獲、熱能局域化和催化反應(yīng)的空間耦合。

• 構(gòu)建了無貴金屬的等離子體核殼催化劑：采用金屬Bi替代傳統(tǒng)的金、銀等貴金屬作為等離子體核心，降低了成本，并通過緊密的核殼界面確保了高效的電荷和能量傳遞。

• 實現(xiàn)了全太陽光譜的級聯(lián)與協(xié)同利用：系統(tǒng)闡明了Bi核（主要利用可見-近紅外光，產(chǎn)生熱電子與熱）與Fe?O?殼（主要利用紫外-可見光，產(chǎn)生電子-空穴對）在不同光譜區(qū)間的分工與協(xié)同機制，特別是證明了近紅外光通過等離子體加熱效應(yīng)能顯著提升整體反應(yīng)性能。

• 獲得了創(chuàng)紀錄的催化活性和近紅外光響應(yīng)效率：在無需外加熱的條件下，獲得了目前報道中無貴金屬催化劑將CO?和H?O光催化還原為CH?的最高產(chǎn)率之一，并將近紅外光（850 nm）下的表觀量子效率提升至領(lǐng)先水平。

• 通過多尺度表征與理論計算揭示了高性能根源：結(jié)合原位光譜（DRIFTS, XPS）、超快光譜、微觀表面電勢分析以及DFT計算，明確了Fe?O?殼層中氧空位（Fe-VO）是關(guān)鍵的CO?吸附與活化位點，Bi核注入的熱電子在此富集，并與局域熱場協(xié)同，降低了*COOH生成等關(guān)鍵步驟的能壘，從而驅(qū)動反應(yīng)高選擇性地通向CH?。

圖1：本工作與以往工作的對比示意圖。

圖2：形貌與結(jié)構(gòu)表征。

圖3：5-Bi@Fe?O?的全光譜光捕獲和納米尺度熱局域化行為。

圖4：PCO?R的光/光熱協(xié)同催化性能。

圖5：電荷載流子動力學分析。

圖6：光催化活性增強的機理分析。

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究成功設(shè)計了一種具有“納米溫室效應(yīng)”的Bi@Fe?O?核殼結(jié)構(gòu)光催化劑，通過巧妙耦合等離子體光熱效應(yīng)與半導(dǎo)體光化學過程，實現(xiàn)了對全太陽光譜（尤其是近紅外光）的高效利用，并協(xié)同加速了CO?活化和多步加氫動力學，最終實現(xiàn)了在無外加熱條件下將CO?和水高選擇性地還原為CH?的卓越性能。這項工作不僅為設(shè)計高效、穩(wěn)定的太陽能燃料合成催化劑提供了新思路，也為克服低能光子利用瓶頸、邁向全光譜太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)開辟了切實可行的途徑。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70960-9

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