文獻快訊：Nat. Commun. 納米溫室效應！實現(xiàn)全光譜驅動CO?高效光催化還原制CH?

【成果掠影 & 研究背景】

太陽能驅動的光催化二氧化碳還原（PCO?R）技術，能夠直接將CO?、H?O和陽光轉化為碳氫燃料，是實現(xiàn)碳中和與可再生能源經(jīng)濟的關鍵路徑之一。然而，該技術的發(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啟發(fā)，設計并構建了一種無貴金屬的核殼結構催化劑（Bi@Fe?O?），實現(xiàn)了“納米尺度溫室效應”，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”：模仿地球溫室原理，設計了Bi核（吸熱/產(chǎn)熱）與Fe?O?殼（隔熱/催化）的核殼結構，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的空間耦合。

• 構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能顯著提升整體反應性能。

• 獲得了創(chuàng)紀錄的催化活性和近紅外光響應效率：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先水平。

• 通過多尺度表征與理論計算揭示了高性能根源：結合原位光譜（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生成等關鍵步驟的能壘，從而驅動反應高選擇性地通向CH?。

圖1：本工作與以往工作的對比示意圖。

圖2：形貌與結構表征。

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 & 原文鏈接】

本研究成功設計了一種具有“納米溫室效應”的Bi@Fe?O?核殼結構光催化劑，通過巧妙耦合等離子體光熱效應與半導體光化學過程，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化技術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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