文獻快訊：Nat. Commun. 仿生光催化劑實現光驅動CO?制甲醇高效轉化

【成果掠影 & 研究背景】

光驅動二氧化碳加氫制甲醇是一種可持續的燃料生產途徑，有助于實現碳中和目標。然而，傳統光催化系統存在電荷分離效率低、光吸收有限和活性位點選擇性差等問題，導致甲醇產率和量子效率難以提升。模仿自然光合作用的空間分離策略有望解決這些挑戰，但人工材料中缺乏有序的質量和電荷轉移網絡，限制了其實際應用。

本研究受植物葉綠體啟發，開發了一種模擬葉綠素的綠色納米顏料——鎳鎵氧化物（NiGa?O?-x(OH)?），其具有逆尖晶石結構和表面受阻路易斯對（SFLPs）。該材料通過光激發促進氫氣異裂為質子和氫化物，并利用Ni(II)/Ni(III)與OH(-I)分別作為氫離子和質子的傳輸通道，模擬自然光合作用中的NADPH功能和暗反應過程。實驗結果表明，該催化劑在300°C和光照條件下，甲醇產率高達3.20 mmol·h?1·g?1，選擇性達79.6%，量子效率為3.0%，且穩定性優異，連續運行150小時性能無顯著衰減。這一成果為光催化CO?轉化提供了新的設計思路。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 設計了一種模擬葉綠素光學特性的納米顏料結構，通過逆尖晶石框架實現寬帶光吸收，覆蓋紫外至紅光范圍。

• 構建表面受阻路易斯對（SFLPs），通過Ga(III)/Ni(II,III)與O/OH的協同作用，實現氫氣的高效異裂分裂。

• 提出質子-氫化物分離傳輸機制，Ni(II)/Ni(III)作為氫化物載體，OH(-I)作為質子導體，模擬自然光合作用的電子傳遞鏈。

• 光熱協同催化策略：光激發不僅提供熱效應，還通過d-d躍遷增強Ga-H鍵形成，加速反應中間體轉化。

• 實現高達3.0%的量子效率，且光子至甲醇的選擇性超過90%，顯著優于現有光催化系統。

• 結合原位光譜（XPS、DRIFTS、XAFS）和理論計算，揭示了CO?通過甲酸鹽路徑逐步加氫至甲醇的完整反應機制。

Fig. 1: 納米顏料催化劑的設計方案與結構表征

Fig. 2: CO?氫化催化性能測試與分析

Fig. 3: 活性位點的識別與表征

Fig. 4: 光對CO?氫化反應的促進效應研究

Fig. 5: 反應機制的DFT理論研究

【總結 & 原文鏈接】

本研究成功開發了一種葉綠素模擬的鎳鎵氧化物納米顏料，通過表面受阻路易斯對和質子介導的電荷轉移機制，實現了光驅動CO?高效加氫制甲醇。催化劑在寬光譜范圍內表現出高活性和穩定性，其量子效率與甲醇選擇性均達到國際領先水平。該工作不僅為人工光合作用系統提供了新范式，還通過多尺度原位表征與理論模擬深化了對光熱協同催化機制的理解，為溫室氣體資源化利用奠定了堅實基礎。未來可通過活性位點工程和光反應器優化進一步提升性能，推動太陽能煉廠的規模化應用。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65560-y

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