當前，我國明確提出要大力發(fā)展低碳可再生能源產(chǎn)業(yè)，加快可再生能源發(fā)展零碳、負碳技術(shù)，減少CO2排放，加強CO2高值化轉(zhuǎn)化，推動能源低碳轉(zhuǎn)型。

　　近日，省科學院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心）光電功能材料與器件研究團隊（下稱光電團隊）設(shè)計開發(fā)了一種新型局域結(jié)晶態(tài)的聚合型氮化碳PCN光催化劑（HCN-A）。HCN-A具有局域晶態(tài)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光催化還原二氧化碳（CO2）性能，能在常溫常壓下利用太陽能將CO2高效轉(zhuǎn)化為乙醛（CH3CHO），選擇性高達98.3%，產(chǎn)率高達1814.7 μmolh-1g-1，385 nm和420 nm光激發(fā)下的量子效率分別為22.4%和13.3%，是目前光催化CO2產(chǎn)乙醛的最高紀錄。

　　光催化還原CO2可利用半導(dǎo)體材料，在太陽能的驅(qū)動下，將CO2催化轉(zhuǎn)化為碳氫燃料、高附加價值化學品，這種技術(shù)對推動能源低碳轉(zhuǎn)化和綠色可持續(xù)發(fā)展非常重要。目前多種光催化材料被用來制備C1產(chǎn)物如CO、HCOOH或CH4。

　　從經(jīng)濟角度看,將CO2轉(zhuǎn)化為C2等液體產(chǎn)物將更具價值，但技術(shù)層面也更具挑戰(zhàn)性。這是因為CO2還原過程中通過C-C偶聯(lián)生成C2產(chǎn)物涉及到非常復(fù)雜的反應(yīng)步驟和多個反應(yīng)路徑，尤其是目前能夠高效、高選擇性地生成乙醛的催化體系非常罕見。此外，從CO2還原制乙醛（CH3CHO）的反應(yīng)中間態(tài)的調(diào)控機制尚未有系統(tǒng)研究。

　　研究結(jié)合原位紅外光譜技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)、原位電子順磁共振技術(shù)以及基于第一性原理的理論計算等手段對其反應(yīng)機理及中間態(tài)進行分析。原位紅外測試表明，HCN-A在光照下會生成CO2還原制CH3CHO反應(yīng)中的關(guān)鍵中間體*OCCHO。與未改性的HCN不同，HCN-A表面沒有發(fā)現(xiàn)*CH2O中間體，因此HCN-A催化體系不產(chǎn)生甲醛副產(chǎn)物。

　　進一步的DFT理論計算分析表明，在HCN-A表面*CHO和*CO經(jīng)C-C偶聯(lián)生成*OCCHO是一個自發(fā)的放熱過程，這是HCN-A還原CO2生成CH3CHO具有高選擇性的重要原因。

圖 經(jīng)原位紅外技術(shù)和DFT分析結(jié)構(gòu)擬出的反應(yīng)過程機理圖

　　該研究成果——HCN-A新型催化劑，可直接利用太陽能將CO2高效轉(zhuǎn)化為乙醛，并采用原位紅外分析技術(shù)表征了催化過程的中間態(tài)，揭示了反應(yīng)過程新機理。

　　相關(guān)成果發(fā)表在《Energy & Environmental Science》上，測試分析所為唯一第一和通訊作者單位。上述工作得到了國家自然科學基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和廣東省科學院建設(shè)國內(nèi)一流研究機構(gòu)行動專項資金項目的支持。

　　論文信息：

　　Liu, Q., Cheng, H., Chen, T., Lo, B. T. W., Xiang, Z., & Wang, F. (2021). Regulating* OCCHO intermediate pathway towards high selective photocatalytic CO2 reduction to CH3CHO over locally crystalized carbon nitride. Energy & Environmental Science.

　　論文鏈接：

　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02073k/unauth

　　（省科學院測試分析研究所 劉瓊、汪福憲/供稿）