受自然光合作用的启发，太阳能驱动的CO2和H2O转化为化学燃料和O2被认为是解决能源危机和环境污染问题的一种有吸引力的可持续技术。一些光催化剂已经被开发用于用纯水光催化还原CO2。但是，开发用于CO2还原反应（CO2RR）的高效和稳定的光催化剂仍然是一个巨大的挑战。安徽师范大学毛俊杰教授和清华大学王定胜教授首先设计了具有N-Cu1-S单原子电子桥（Cu-SAEB）的Z-Scheme光催化剂，实现了优异的CO2RR性能。结果显示，在不存在牺牲剂的情况下，Cu-SAEB上CO和O2的产量分别高达236.0和120.1 μmol g-1 h-1，优于大多数先前报道的光催化剂。相关工作以“Engineering a Copper Single-Atom Electron Bridge to Achieve Efficient
Photocatalytic CO2 Conversion”为题发表在国际著名期刊Angewandte
Chemie International Edition上。要点1. 作者首次提出的具有N-Cu1-S的Cu-SAEB光催化剂，在不存在牺牲剂的情况下，表现出优异的光催化CO2RR活性，CO和O2的生成速率分别为236.0和120.1 μmol g-1 h-1，远高于Cu-NPEB（以Cu纳米颗粒为EB的样品）和其他相应的对照样品。这些性能几乎代表了将CO2和H2O转化为CO和化学计量量O2的最佳光催化剂之一。要点2. N-Cu1-S原子结构介导的Cu-SAEB的强化接触界面，设计的Cu-SAEB在整个30个循环反应（总共300小时）中高度稳定。要点3. 荷载流子动力学和理论计算的结果证实，N-Cu1-S可用作SAEB极大地促进了Z-Scheme界面电荷传输过程，从而大大加速光生电子和具有相对较低氧化还原电势的空穴的复合。因此，具有强氧化还原电势的载体的寿命在光照射期间可以大大延长，这导致Cu-SAEB的CO2RR性能增强。该工作为开发高效和稳定的光催化剂提供了一个很有前景的平台，该催化剂具有CO2转化的实际应用潜力。图1.（a）Cu-SAEB的低倍TEM。（b）Cu-SAEB的原子分辨率AC
HAADF-STEM。（c）Cu-SEAB的EDS元素图谱。Cu-SAEB的（d）Cu LMM、（e）N 1s和（f）S 2p的XPS。（g）Cu-SAEB和参考样品的Cu K-edge
XANES光谱。插图是放大的图像。（h）Cu-SAEB和参考样品的FT-EXAFS光谱。（i）Cu-SEAB的FT-EXAFS拟合结果。图2.（a）样品的UV/Vis DRS。Cu-SAEB-hν及相应的对比样品的（b）Ti 2p和（c）Mo 3d的XPS。在（d）MS/MIL、（e）Cu-NPEB和（f）Cu-SAEB的光照射下记录的·O2-的DMPO自旋捕获EPR光谱。（g）MS/MIL、（h）Cu-NPEB和（i）Cu-SAEB的示意电子转移过程模型。图3.（a）样品上的时间依赖性光催化CO2还原为CO。（b）样品中CO和O2的析出速率。（c）样品在350、420和520 nm波长的光照射下的AQE%。（d）光照下Cu-SAEB的原位FTIR实验。（e）13CO2和（f）Cu-SAEB上的H218O标记实验。（g）Cu-SAEB上光催化CO2RR的重复循环。图4.（a）MIL、（b）MS/MIL、（c）Cu-NPEB和（d）Cu-SAEB的单粒子PL图像。（e）时间分辨瞬态PL衰减。（f）瞬态光电流谱。（g）Cu-SAEB的原位EPR测量。（h）在无CO2和水的Ar气氛下，在0、10、20和30分钟光照射后，Cu-SAEB上Cu
K-edge准原位XANES和（i）FT-EXAFS光谱。（j）Cu-SAEB上光照射下电荷转移路径的示意图。图5.（a）光激发前Cu-SAEB的DOS。光激发前Cu-SAEB的电荷密度差异（b）顶视图和（c）侧视图。（d）光激发后Cu-SAEB的DOS。Cu-SAEB（e）顶视图和（f）侧视图上光激发前后的电荷密度差异。红色和绿色等表面分别表示电子积累和耗尽，等表面水平对于（b）-（c）设置为0.004 e·Å-3，对于（e）-（f）设置为0.0006 e·Å-3。Cu（蓝色）、N（绿色）、S（黄色）、C（棕色）、Ti（青色）、O（红色）、Mo（粉色）和H（白色）。Engineering a Copper Single-Atom
Electron Bridge to Achieve Efficient Photocatalytic CO2 Conversion
Gang
Wang, Yan Wu, Zhujie Li, Zaizhu Lou, Qingqing Chen, Yifan Li, Dingsheng Wang,* Junjie
Mao*DOI: 10.1002/anie.202218460
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