近日，山东大学黄柏标教授、程合锋教授团队与中国科学技术大学宋礼教授团队合作，通过一种配体交换的策略将具有低配位结构的金单原子锚定在超薄硫铟锌纳米片表面，成功的实现了光催化CO₂还原到CH₄产物的高活性和高选择性。研究成果以“Low-Coordination Single Au Atoms on Ultrathin ZnIn₂S₄Nanosheets for Selective Photocatalytic CO₂Reduction towards CH₄”为题，发表在国际期刊Angewandte Chemie International Edition（IF:16.823）上，并被遴选为“热点文章”（Hot Paper）；该工作还被ChemEurope，ChemistryViews等网站以“Fuel from a Greenhouse Gas—Single gold atoms catalyze the selective methanization of carbon dioxide”为题作为新闻报道。该工作在黄柏标教授的指导下完成，晶体材料国家重点实验室2020硕士研究生司圣和是本文的第一作者，程合锋教授和中国科学技术大学宋礼教授为共同通讯作者，山东大学为第一作者和第一通讯单位。

光催化CO₂还原合成高附加值的碳氢燃料是缓解温室效应和能源危机，实现碳中和的一种有前景的策略。由于该过程涉及多电子转移过程，光催化CO₂还原合成碳氢燃料面临产物活性低和选择性低的双重难题。因此，从光生载流子分离效率和金属活性位点对反应中间体的吸附强度等因素的调控角度，光催化CO₂还原产物（尤其是CH₄等碳氢燃料）的活性和选择性仍有较大的提升空间。

该研究团队通过配体交换策略将Au单原子锚定在超薄ZnIn₂S₄纳米片表面(Au₁/ZnIn₂S₄)，球差电镜和同步辐射表征确认了Au单原子的低配位结构（Au₁S₂）。在可见光照射下，以联吡啶钌作为光敏化剂，所制备的Au₁/ZnIn₂S₄催化剂光催化CO₂还原生成CH₄的速率可达275 μmol g^–1h^–1，同时CH₄产物的选择性高达77%，性能远高于纯ZnIn₂S₄和Au纳米颗粒修饰的ZnIn₂S₄催化剂(Au_NPs/ZnIn₂S₄)。研究发现，Au单原子相较于Au纳米颗粒可以更有效促进光生载流子的分离效率，从而提高光催化CO₂反应的活性。随后，原位红外光谱结合理论计算表明，具有低配位结构的Au₁/ZnIn₂S₄催化剂可以有效活化CO₂分子，稳定*CO中间体，使其进一步质子化生成CH₄。该工作不仅为制备低配位结构的金属单原子催化剂提供了新的思路，也为通过人工光合成得到高活性和高选择性的目标产物开辟了新的途径。

黄柏标、程合锋教授团队近期在在光（电）催化二氧化碳还原以及氮气还原合成氨方面取得系列研究进展，研究成果相继发表在Cell Rep. Phys. Sci., Small, Nano Energy, Angew. Chem. Int. Ed.等国际重要期刊上。上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东大学齐鲁青年学者项目和晶体材料国家重点实验室的大力支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202209446

新闻链接：https://www.chemeurope.com/en/news/1177685/fuel-from-a-greenhouse-gas.html

          https://www.chemistryviews.org/fuel-from-a-greenhouse-gas/