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化石燃料的消耗使得大氣中CO₂的濃度逐年累積造成溫室效應(yīng)和氣候變暖。主要利用太陽能將CO₂轉(zhuǎn)化為增值的化學(xué)品，一方面可以降低CO₂濃度，另一方面也可以滿足了對(duì)化石能源日益增長的需求，這是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵。這個(gè)反應(yīng)過程是仿生的儲(chǔ)能過程。將光電和熱三種催化技術(shù)耦合到同一個(gè)催化體系中，從而通過光電熱的協(xié)同效應(yīng)改善單一催化體系的技術(shù)缺陷是催化二氧化碳還原的更有效途徑，也是人工光合成的本質(zhì)所在。技術(shù)的關(guān)鍵是空心的碳基半導(dǎo)體催化劑模擬了植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，光電反應(yīng)池中的外加光輻照、電壓和內(nèi)生的熱電子模擬太陽光、植物的膜電壓以及細(xì)胞本身的熱效應(yīng)等。這種仿生設(shè)計(jì)有利于多碳（C2+）的碳?xì)浠衔锖痛碱惍a(chǎn)物的生成，更具有工業(yè)價(jià)值和潛力。

根據(jù)上述的設(shè)想，他們這次設(shè)計(jì)并制備出了CdIn₂S₄-N/C中空異質(zhì)結(jié)構(gòu)用作光電陰極催化劑，其中CdIn₂S₄作為光吸收劑捕獲光子以形成光生電子，氮摻雜碳材料（N/C）作為“熱點(diǎn)”和反應(yīng)活性位點(diǎn)促進(jìn)光電熱催化CO₂還原和碳碳偶聯(lián)反應(yīng)。BiVO₄-FTO作為光電陽極用于釋放氧氣。反應(yīng)體系能夠?qū)O₂高效且選擇性地還原為乙二醇等產(chǎn)物。

熱學(xué)研究證實(shí)了CdIn₂S₄-N/C催化劑同時(shí)具有優(yōu)異的光熱以及熱電性能。此外，LSV、瞬態(tài)光電流響應(yīng)、電荷分離效率、EIS和ECSA等測試證明了CdIn₂S₄-N/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨(dú)特的光電或電化學(xué)性能。DFT計(jì)算證實(shí)，吡啶N和吡咯N位點(diǎn)更有利于CO₂分子通過卡賓（^*=C=O）和^*OC-COH中間體生成乙二醇等C2產(chǎn)物。原位實(shí)況紅外光譜中也清晰地觀察到了中間體和產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰，證實(shí)了這一反應(yīng)機(jī)理的合理性。綜上所述，該研究策略為開發(fā)具有優(yōu)異的光、熱以及電化學(xué)性能的新型催化劑提供了研究思路。

蘭州大學(xué)景歡旺教授團(tuán)隊(duì)從事二氧化碳綠色轉(zhuǎn)化研究工作二十余年，從事染料敏化太陽能電池工作和目前的光電催化二氧化碳還原（人工光合成）工作十余載。積多年和在不同基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)仿植物光合作用的研究經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為只有對(duì)有機(jī)-無機(jī)雜化材料進(jìn)行系統(tǒng)和深入的研究，才能找到高效的仿生光電催化劑像植物光合作用一樣把二氧化碳還原、釋放氧氣和貯存能量到有機(jī)物中（逆熱力學(xué)過程）。故此呼吁：為了早日實(shí)現(xiàn)習(xí)近平主席提出的中國2060碳中和愿景，光催化和電催化研究領(lǐng)域的眾多學(xué)者們應(yīng)盡快轉(zhuǎn)變研究思路，集中到研究這種光電協(xié)同催化或光電熱協(xié)同催化二氧化碳還原的工作中來，共同努力做出中國的零到一，實(shí)現(xiàn)人工光合成的工業(yè)化生產(chǎn)，造福全人類。

原文請見：“Photoelectrothermocatalytic reduction of CO₂ to glycol via CdIn₂S₄-N/C hollow heterostructure mimicking plant cell” Chemical Engineering Journal, 2024, 485: 149707；https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149707